Varactor diodes

Fig. 11. Structure of the varactor diode

Fig. 12. Varieties of doping profiles of p-n junctions - Разновидности профилей легирования p-n-переходов

Fig.13. Equivalent circuit of the varactor diode

Sources: Microwave electronics pdf.pdf

Task 2.

Diodes with negative dynamic resistance.

1. Draw the distribution of the static field and the drift velocity for two structures from the list of diodes with negative dynamic resistance (the choice is arbitrary from the above list, but one device must be using gallium arsenide, and the second is silicon). Imagine the device as a layered structure.

Solution:

Consider 2 devices – a silicon-based LPD and a Gann diode on gallium arsenide. Since the Gann diode uses the phenomenon of negative conductivity, this device cannot be implemented on silicon.

Figure 14 shows the distribution of the field in the LPD at the pre-trial moment (taken from the lecture material). The distribution of the carrier velocity in this device is of little interest, since the field strengths are high, and the velocity is equal to the saturation velocity (that is, approximately 107 m /s) in the entire volume of the LPD with the exception of heavily alloyed contact areas. In LPD, uneven injection of carriers is used for modulation, while the injection delay is essential, without which it is impossible to provide amplification. (Рассмотрим 2 устройства – LPD на основе кремния и диод Ганна на арсениде галлия. Поскольку диод Ганна использует явление отрицательной проводимости, это устройство не может быть реализовано на кремнии.

На рисунке 14 показано распределение поля в LPD на момент предварительного слушания (взято из лекционного материала). Распределение скорости носителя в этом устройстве представляет небольшой интерес, поскольку напряженности поля высоки, а скорость равна скорости насыщения (то есть примерно 10⁷ м/с) во всем объеме LPD, за исключением сильно легированных контактных областей. В LPD для модуляции используется неравномерная инжекция несущих, при этом существенна задержка инжекции, без которой невозможно обеспечить усиление.)

Fig. 14. Distribution of the field strength in the LPD.( Рис. 14. Распределение напряженности поля в LPD.)

Figure 15 shows the distribution of field strength and velocity distribution in the mode of the anode static domain in the Gann diode (taken from the lecture materials). In this case, the velocity distribution is of considerable interest, since it is in the region of negative differential mobility that the grouping of carriers occurs.

Fig. 15. Distribution of field strength and carrier velocity in DG

2.2. Imagine the device as a layered structure.

Fig. 16. Layered structure of LPD

Figure 16 shows the structure of the Gann diode. There are no transitions in the diet, it is an n-type gallium arsenide with highly doped contact pads to provide ohmic contacts. The simplicity of the design led to the widespread use of Gann diodes for several years after the invention, but at the moment they, like other diodes with negative dynamic resistance, are practically replaced by microwave transistors with better characteristics. - На рис. 16 показана структура диода Ганна. В диете нет переходов, это арсенид галлия n-типа с высоколегированными контактными площадками для обеспечения омических контактов. Простота конструкции привела к широкому использованию диодов Ганна в течение нескольких лет после изобретения, но на данный момент они, как и другие диоды с отрицательным динамическим сопротивлением, практически заменены микроволновыми транзисторами с лучшими характеристиками.

2.3

Determine the frequency of LPD and DG generation with a running domain at the length of the active region.

Given:

L_d = 27,75 mkm

ϑ_s = 10⁵

Find:

F_LPD -?

F_DG -?

Solution:

Answers: ;

Task 3.

Transistors

3.1 . Compare the maximum possible thickness of the base of a bipolar transistor and the gate length of a field-effect transistor when operating at a frequency of = 16 GHz.

Given:

Find:

W_b-?

L_sh-?

Solution:

Therefore: , where D_b - electron diffusion coefficient in GaAs, equal to

Substitute the values:

To determine the length of the shutter(вычислить длину затворв ) , we use the empirical formula:

We calculate the span angles:

Field effect transistor:

Bipolar transistor:

No relation to task 3 from task 1 found.

The underlying disease of a bipolar transistor is 3.12 times less than the gate length of the field effect transistor. This difference is that the diffusion rate, which determines the thickness of the base, is much less than the drift speed, which determines the length of the shutter. As mentioned in task 4 of individual task No. 1, in semiconductors the maximum speed is limited by the drift velocity, and in vacuum devices by the relativistic effects. There is a similar situation in this problem.

A bipolar transistor has a definite advantage over a field effect transistor in the microwave wavelength range, since it is technologically more difficult to create a shorter gate than a thinner base. – (Основная проблема биполярного транзистора в 3,12 раза меньше, чем длина затвора полевого транзистора. Это различие заключается в том, что скорость диффузии, которая определяет толщину основания, намного меньше скорости дрейфа, которая определяет длину затвора. Как упоминалось в задаче 4 отдельного задания № 1, в полупроводниках максимальная скорость ограничена скоростью дрейфа, а в вакуумных устройствах - релятивистскими эффектами. Аналогичная ситуация и в этой проблеме.

Биполярный транзистор имеет определенное преимущество перед полевым транзистором в микроволновом диапазоне длин волн, поскольку технологически сложнее создать более короткий затвор, чем более тонкую базу.)

Answers: ;

3.2 Compare the advantages and disadvantages of using HEMT devices and transistors with ballistic transport in the microwave range. What should be the thickness of the high-alloy area NEMT with N_d= 2.35*10¹⁷ cm^-3 if the contact potential difference is equal to

A high-electron-mobility transistor (HEMT), also known as heterostructure FET (HFET) or modulation-doped FET (MODFET), is a field-effect transistor incorporating a junction between two materials with different band gaps (i.e. a heterojunction) as the channel instead of a doped region (as is generally the case for a MOSFET). A commonly used material combination is GaAs with AlGaAs, though there is wide variation, dependent on the application of the device. Devices incorporating more indium generally show better high-frequency performance, while in recent years, gallium nitride HEMTs have attracted attention due to their high-power performance. Like other FETs, HEMTs are used in integrated circuits as digital on-off switches. FETs can also be used as amplifiers for large amounts of current using a small voltage as a control signal. Both of these uses are made possible by the FET’s unique current–voltage characteristics. HEMT transistors are able to operate at higher frequencies than ordinary transistors, up to millimeter wave frequencies, and are used in high-frequency products such as cell phones, satellite television receivers, voltage converters, and radar equipment. They are widely used in satellite receivers, in low power amplifiers and in the defense industry. (Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), также известный как гетероструктурный полевой транзистор (HFET) или полевой транзистор с модуляцией (MODFET), представляет собой полевой транзистор, включающий переход между двумя материалами с различными запрещенными зонами (т.е. гетеропереход) в качестве канала вместо легированной области (как это обычно это относится к МОП-транзистору). Обычно используется комбинация материалов GaAs с AlGaAs, хотя существуют большие различия в зависимости от применения устройства. Устройства, содержащие больше индия, как правило, демонстрируют лучшие высокочастотные характеристики, в то время как в последние годы HEMT из нитрида галлия привлекли внимание из-за их высокой мощности. Как и другие полевые транзисторы, HEMT используются в интегральных схемах в качестве цифровых переключателей включения-выключения. Полевые транзисторы также можно использовать в качестве усилителей для больших токов, используя небольшое напряжение в качестве управляющего сигнала. Оба эти применения стали возможными благодаря уникальным вольт–амперным характеристикам полевого транзистора. Транзисторы HEMT способны работать на более высоких частотах, чем обычные транзисторы, вплоть до частот миллиметровых волн, и используются в высокочастотных устройствах, таких как сотовые телефоны, приемники спутникового телевидения, преобразователи напряжения и радиолокационное оборудование. Они широко используются в спутниковых приемниках, в усилителях малой мощности и в оборонной промышленности.)

Advantages of HEMTs are that they have high gain, this makes them useful as amplifiers; high switching speeds, which are achieved because the main charge carriers in MODFETs are majority carriers, and minority carriers are not significantly involved; and extremely low noise values because the current variation in these devices is low compared to other.( Преимущества HEMT заключаются в том, что они имеют высокий коэффициент усиления, что делает их полезными в качестве усилителей; высокие скорости переключения, которые достигаются благодаря тому, что основными носителями заряда в модулях являются мажоритарные носители, а минорные носители не участвуют в значительной степени; и чрезвычайно низкие значения шума, поскольку изменение тока в этих устройствах низкое по сравнению с другими.)

Source: https://en.wikipedia.org/wiki/High-electron-mobility_transistor

Ballistic Transistors are electronic devices currently being developed for high-speed integrated circuits, which is a set of circuits bounded on semiconductor material. They use electromagnetic forces instead of a logic gate, a device used to perform solely on specified inputs, to switch the forces of electrons. The unique design of this transistor includes individual electrons bouncing off of wedge-shaped obstacles called deflectors. Initially impelled by the circuits electric field, electrons proceed on their respective paths via this electromagnetic deflection. Electrons are then able to travel without being scattered by atoms or defects thus producing an increased transit time.With an increased transit time, the ballistic transistor will be able to produce longer and more effective results than the standard transistor today. (Баллистические транзисторы - это электронные устройства, которые в настоящее время разрабатываются для быстродействующих интегральных схем, представляющих собой набор схем, ограниченных полупроводниковым материалом. Они используют электромагнитные силы вместо логического элемента, устройства, используемого для работы исключительно на заданных входах, для переключения сил электронов. Уникальная конструкция этого транзистора включает в себя отдельные электроны, отскакивающие от клиновидных препятствий, называемых дефлекторами. Первоначально движимые электрическим полем цепи, электроны движутся по своим соответствующим путям через это электромагнитное отклонение. Затем электроны могут перемещаться, не рассеиваясь атомами или дефектами, что приводит к увеличению времени прохождения.Благодаря увеличенному времени прохождения баллистический транзистор сможет давать более длительные и эффективные результаты, чем стандартный транзистор сегодня.)

Advantages

One advantage of the ballistic transistor is that because such device will use very little power, it will create less heat. Having produced less heat, it will be able to withstand a longer duration and speed. Thus, it will be easier to incorporate into a variety of technology. This design will also reduce electrical noise that come from the electronic devices. With an increased speed, another advantage of the transistor is that it will be beneficial in both aspects of linear amplifier and switch. The signal on a device would massively increase as well as its memory because the transistor will be able to withstand more than the standard chips. Additionally, the size of an ideal ballistic transistor is going to be significantly smaller than the standard transistor. The reduced size helps with the precision of electron movement, thus eliminating any error of fluctuations of random scattering and collision.( Баллистические транзисторы - это электронные устройства, которые в настоящее время разрабатываются для быстродействующих интегральных схем, представляющих собой набор схем, ограниченных полупроводниковым материалом. Они используют электромагнитные силы вместо логического элемента, устройства, используемого для работы исключительно на заданных входах, для переключения сил электронов. Уникальная конструкция этого транзистора включает в себя отдельные электроны, отскакивающие от клиновидных препятствий, называемых дефлекторами. Первоначально движимые электрическим полем цепи, электроны движутся по своим соответствующим путям через это электромагнитное отклонение. Затем электроны могут перемещаться, не рассеиваясь атомами или дефектами, что приводит к увеличению времени прохождения.Благодаря увеличенному времени прохождения баллистический транзистор сможет давать более длительные и эффективные результаты, чем стандартный транзистор сегодня.)

Source: http://www.rochester.edu/news/show.php?id=2585

Given:

N_d= 2.35*10¹⁷ cm^-3

Find:

Solution: