ISSN 0021-3454 (печатная версия)
ISSN 2500-0381 (онлайн версия)
Меню

7
Содержание
том 63 / Июль, 2020
СТАТЬЯ

DOI 10.17586/0021-3454-2019-62-10-929-940

УДК 621.382.233

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

Черкасов К. В.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, кафедра радиоэлектронных систем и устройств ;


Мешков С. А.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, кафедра технологии приборостроения ;


Макеев М. О.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, кафедра технологий приборостроения ;


Иванов Ю. А.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; студент


Ветрова Н. А.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, кафедра технологий приборостроения;


Федоркова Н. В.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, кафедра технологий приборостроения;


Аннотация. Резонансно-туннельные диоды (РТД) являются перспективными элементами для применения в приемопередающих устройствах СВЧ- и КВЧ-диапазонов, в частности, в нелинейных преобразователях частоты радиосигналов. Использование РТД в качестве нелинейных элементов позволяет улучшить электрические параметры назначения преобразователей, а также расширить рабочий диапазон частот вплоть до терагерцового. Исследована кинетика вольт-амперной характеристики (ВАХ) РТД в заданных условиях эксплуатации при воздействии повышенной температуры и ионизирующих излучений. Разработаны математические модели, описывающие деградацию ВАХ РТД под действием повышенной температуры и гамма-излучения. Полученные модели легли в основу программного комплекса, позволяющего моделировать кинетику ВАХ РТД, вызванную действием указанных факторов. Результаты моделирования верифицированы с экспериментальными данными.
Ключевые слова: резонансно-туннельный диод, кинетика вольт-амперной характеристики, ионизирующие излучения, повышенная температура, GaAs/AlGaAs резонансно-туннельные гетероструктуры

Список литературы:
  1. Иванов Ю. А., Мешков С. А., Федоренко И. А. и др. Улучшение параметров смесителей радиосигналов за счет применения резонансно-туннельных диодов // Техника и приборы СВЧ. 2011. № 2. С. 1—9.

  2. Ветрова Н. А., Мешков С. А., Иванов Ю. А., Назаров В. В., Синякин В. Ю., Федоренко И. А., Федоркова Н. В., Шашурин В. Д. Перспективы разработки нелинейных преобразователей на базе резонансно-туннельных диодов // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Приборостроение”. 2012. № 4.

  3. Иванов Ю. А., Мешков С. А., Шашурин В. Д., Федоркова Н. В., Федоренко И. А. Субгармонический смеситель с улучшенными интермодуляционными характеристиками на базе резонансно-туннельного диода // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 8. С. 982—988.

  4. Федоренко И. А., Федоркова Н. В., Шашурин В. Д., Иванов Ю. А. Спектральные характеристики субгармонического смесителя радиосигналов на основе резонансно-туннельного диода // Междунар. Крымская конф. „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии“ (КрыМиКо’2011). Тез. докл. Севастополь, 2011. С. 181—182.

  5. Иванов А. И., Дукач И. А., Иванов Ю. А., Мешков С. А., Макеев М. О., Федоркова Н. В. Исследование деградации преобразователей частоты СВЧ-радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов // Матер. Междунар. науч.-техн. конф. М., 2013. Т. 13, № 3. С. 69—71.

  6. Макеев М. О., Иванов Ю. А., Мешков С. А., Литвак Ю. Н., Ветрова Н. А. Исследования деградации резонансно-туннельных диодов на базе AlAs/GaAs наногетероструктур // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013. Вып. 6 [Электронный ресурс]: <http://engjournal.ru/catalog/nano/hidden/811.html>.

  7. Макеев М. О., Иванов Ю. А., Мешков С. А. Исследование деградационных явлений в наноразмерных AlAs/GaAs гетероструктурах методом ИК-спектроэллипсометрии // Наноинженерия. 2011. № 4. С. 44—48.

  8. Esaki L., Tsu R. Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors // IBM J. of R&D. 1970. Vol. 14, N 1. P. 61—65.

  9. Pérez-Álvarez R., Garcia-Molliner F. Transfer Matrix, Green Function and Related Techniques: Tools for the Study of Multilayer Heterostructures. Castelló de la Plana, Publicacions de la Universitat Jaume I, 2004. 285 p.

  10. Макеев М. О. Разработка конструкторско-технологических методов и средств повышения надежности смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов: Дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 241 с.

  11. Vashchenko V. A., Sinkevich V. S. Physical limitations of semiconductor devices. Springer, 2008. 330 p.

  12. Irvin J. C. The reliability of GaAs FETs // GaAs FET Principle and Technology. MA: Artech House, 1982.

  13. Nagatsuma T., Fujita M., Kaku A., Tsuji D., Nakai S., Tsuruda K., Mukai T. Terahertz Wireless Communications Using Resonant Tunneling Diodes as Transmitters and Receivers // Proc. of Intern. Conf. on Telecomm. and Remote Sensing. Luxembourg, 2014. Vol. 1. P. 41.

  14. Srivastava A. Microfabricated Terahertz Vacuum Electron Devices: Technology, Capabilities and Performance Overview // Eur. J. of Adv. in Eng. and Techn. 2015. Vol. 2. P. 54.

  15. Баранов И. А., Дудинов К. В., Епифанцев А. А., Замятина Г. А., КоротковА. Н., Короткова И. Ю., Обрезан О. И., Пархоменко В. А. Характеристики деградации монолитно-интегральных схем на GaAs-гетероструктурах при высоких температурах канала PHEMT // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2010. Вып. 1(504). С. 44—53.

  16. Linsted R. D., Surty R. J. Steady state junction temperatures of semicondactor chips // IEEE Trans. on Electron Devices. 1972. Vol. ED-19, N 1. P. 41—44.

  17. Chou Y. C., Leung D., Lai R., Grundbacher R., Barsky M., Kan Q., Tsai R., Wojtowicz M., Eng D., Tran L., Block T., Liu P. H., Nishimoto M., Oki A. Reliability investigation of 0.07-μm InGaAs-InAlAs-InP HEMT MMICs with pseudomorphic In0.75Ga0.25As channel // IEEE Electron Device Lett. 2003. Vol. 24, N 6. P. 378—380.

  18. Ерофеев Е. В., Казимиров А. И., Кагадей В. А. Исследование термостабильности параметров бездрагметалльного GaAs pHEMT транзистора с металлизацией на основе CuGe-соединений // Докл. ТУСУР. 2011. № 2 (24). Ч. 2. С. 41—46.

  19. Arykov V. A., Anichenko E. V., Erofeev E. V., Kagadei V. A. 150 nm Copper Metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge Ohmic Contacts // Proc. of the 5th Eur. Microwave Integrated Circuits Conf. Paris, 2010. P. 166—169.

  20. Cha H. Y., Paek S. W., Lee J. H., Chung K. W., Seo K. S. A Study on PtGeAu Thin Ohmic Contact for GaAs PHEMT // Proc. of CS MANTECH. Vancouver, 1999. P. 67—70.

  21. Karbownik P., Barańska A., Szerling A., Macherzyński W., Papis E., Kosiel K., Bugajski M., Tłaczała M., Jakieła R. Low resistance ohmic contacts to n-GaAs for application in GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers // Opt. Appl. 2009. Vol. XXXIX, N 4. P. 655—661.

  22. Shin Y.-C., Murakami M., Wilkie E. L., Callegari A. C. Effects of interfacial microstructure on uniformity and thermal stability of AuNiGe ohmic contact to n-type GaAs // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 62, N 2. P. 582—590.

  23. Stock J., Malindretos J., Indlekofer K.M., Pöttgens M., Förster A., Lüth H. A vertical resonant tunneling transistor for application in digital logic circuits // IEEE Trans. on Electron Devices. 2001. Vol. 48, N 6. P. 1028—1032.

  24. Murakai M. Development of refractory ohmic contact materials for gallium arsenide compound semiconductors // Sci. and Techn. of Adv. Mat. 2002. Vol. 3, N 1. P. 1—27.

  25. Vidimari F. Improved ohmic properties of Au-Ge contacts to thin n-GaAs layers alloyed with a SiO2 overlayer // Electronics Letters. 1979. Vol. 15, N 21. P. 674—676.

  26. Полевич С. А., Богданов Ю. М., Громов Д. В., Петров М. С., Фёдоров Ю. В., Егоркин В. И. Результаты экспериментального исследования радиационной стойкости GaN СВЧ-переключателя // Тез. 26-й Междунар. конф. „Микроволновые и телекоммуникационные технологии“ (КрыМиКо’2016). Севастополь, 2016. С. 1765—1771.

  27. Таперо К. И. Развитие методов расчетно-экспериментального моделирования радиационных эффектов при проектировании и испытаниях радиационно-стойких изделий электронной техники космического применения: Дис. … докт. техн. наук. Лыткарино: Научно-исследовательский институт приборов, 2017.

  28. Мещуров О. В., Таперо К. И. Сравнительные исследования воздействия различных видов ионизирующих излучений на деградацию оптоэлектронных ключей // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: „Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру“. 2011. Вып. 3. С. 41—45.

  29. Саркисов C. Ю., Кособуцкий А. В., Брудный В. Н., Каргин Н. Я. Генерация терагерцового излучения от поверхностей узко- и широкозонных полупроводников, модифицированных путем радиационного облучения // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 8/3. С. 201—203.

  30. Брудный В. Н., Кособуцкий А. В., Саркисов С. Ю. Уровень локальной электронейтральности и электронные свойства GaSe под давлением // ФТП. 2010. Т. 44, № 9. С. 1194—1202.

  31. Венедитов М. М., Оболенская Е. С., Киселев В. К., Оболенский С. В. Оценка воздействия ионизирующих излучений на электронные компоненты по результатам испытаний ограниченных выборок // Журнал радиоэлектроники. 2017. № 1. ISSN 1684-1719.

  32. Тарасова Е. А. Моделирование радиационной стойкости НЕМТ (обзор) // Вестник ННГУ. 2014. № 1(2).
    С. 100—115.

  33. Тарасова Е. А., Демидова Д. С., Оболенский С. В. и др. InAlAs/InGaAs HEMT при облучении квантами высоких энергий // ФТП. 2012. Т. 46, № 12. С. 1587—1592.

  34. Оболенский С. В. Физико-топологическое моделирование характеристик субмикронных полевых транзисторов на арсениде галлия с учетом радиационных эффектов: Дис. … докт. техн. наук. Н. Новгород, 2002.

  35. Метелкин И. О., Елесин В. В. Моделирование переходных ионизационных эффектов в полевых транзисторах на арсениде галлия // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 2016. Вып. 2(241). С. 10—19.

  36. Елесин В. В. Расчетно-экспериментальное моделирование эффектов мощности дозы в СВЧ МИС на основе гетероструктурных полевых транзисторов // Микроэлектроника. 2016. Т. 43, № 2. С. 133—141.

  37. Елесин В. В., Чуков Г. В., Громов Д. В., Репин В. В., Вавилов В. А. Исследование влияния ионизирующих излучений на характеристики кремний-германиевых интегральных схем СВЧ диапазона // Микроэлектроника. 2010. Т. 39, № 2. С. 136—148.

  38. Назарова Г. Н., Елесин В. В., Никифоров А. Ю., Кузнецов А. Г., Усачев Н. А., Амбуркин Д. М. Составные функциональные блоки для создания радиационно-стойких приемо-передающих КМОП КНИ БИС // Микроэлектроника. 2016. Т. 46, № 1. С. 72—80.

  39. Шукайло В. П., Оболенский С. В., Басаргина Н. В., Ворожцова И. В., Дубровских С. М., Ткачёв О. В. Люминесценция GaN и GaAs диодов при n-γ-облучении // Вестн. ННГУ. 2012. № 5(1). С. 60—64.

  40. Бобыль А. В., Конников С. Г., Устинов В. М., Байдакова М. В., Малеев Н. А., Саксеев Д. А., Конакова Р. В., Миленин В. В., Прокопенко И. В. Радиационно-стимулированная деградация поверхности GaAs и транзисторных структур с высокой подвижностью электронов // ФТП. 2012. Т. 46, № 6. С.833—844.

  41. Mazouz H., Belghachi A., Hadjaj F. Sollar cell degradation by electron irradiation effect of Irradiation fluence // Intern. J. of Phys. and Math. Sci. 2013. Vol. 7, N 12. P. 1718—1720.

  42. Jiang M., Xiao H. Y., Peng S. M., Yang G. X., Liu Z. J., Zu X. T. A comparative study of low energy radiation response of AlAs, GaAs and GaAs/AlAs superlattice and the damage effects on their electronic structures // Scientific reports. 2018. N 8, article № 2012 [Электронный ресурс]: <https://www.nature.com/articles/s41598-018-20155-0>.

  43. Beddiafi Y., Saadoune A., Dehimi L. Numerical simulation of radiation damage on the device performance of GaAs MESFETs // J. of New Techn. and Mat. 2014. Vol. 04, N 01. P. 68—72.

  44. El Allam M., Inguimbert C., Nuns T., Meulenberg A., Jorio A. et al. Gamma and NIEL dependence of irradiated GaAs // IEEE Trans. on Nuclear Science. 2017. Vol. 64, N 3. P. 991—998.

  45. Wei Q. Studies of Radiation Hardness of MOS Devices for Application in a Linear Collider Vertex Detector: Doc. Diss. München: Technischen Universität, 2008.

  46. Vaitkus J. V. et al. Neutron irradiation influence on mobility and compensation of dark conductivity in silicon // Lith. J. Phys. 2016. Vol. 56. P. 102—110.

  47. Kazukauskas V., Vaitkus J.-V. Carrier transport in GaN single crystals and radiation detectors investigated by thermally stimulated spectroscopy // Opto-Electronics Review. 2004. Vol. 12, N 4. P. 399—403.

  48. El-Basit W.A. et al. Computer Modeling, Characterization, and Applications of Gallium Arsenide Gunn Diodes in Radiation Environments // Nuclear Engineering and Technology. 2016. Vol. 48. P. 1219—1229.

  49. Myers S. M., Wampler W. R., Modine N. A. Recombination by band-to-defect tunneling near semiconductor heterojunctions: A theoretical model // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120. Р. 134502.

  50. Rutherford A. Electronic effects in radiation damage simulation in metals: PhD. Diss. London Centre of Nanotechnology, University College London, 2009.

  51. Coelho A. V. P., Boudinov H. Sheet resistance of GaAs conductive layers isolated by proton irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2006. Vol. 245. P. 435—439.

  52. Новиков Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов: учебное пособие. М.: Университетская книга, 2010. 192 с. ISBN 978-5-91304-190-6.

  53. Орлова М. Н., Юрчук С. Ю., Диденко С. И., Таперо К. И. Изучение деградации фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур АIIIВV в условиях ионизирующего излучения // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2014. Т. 17, № 3. С. 217—223. DOI: 10.17073/1609–3577–2014–3–217–223.

  54. Кольцов Г. И., Диденко С. И., Юрчук С. Ю., Мусалитин Н .А. Изучение дефектных центров в полупроводниковых соединениях AIIIBV, образованных при радиационном воздействии и формировании ионно-легированных p+—n-структур // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. 2005. № 3. С. 71—77.

  55. Корольченко А. С., Леготин С. А., Диденко С. И., Кобелева С. П., Орлова М. Н., Мурашев В. Н. Исследование спектральных и фотоэлектрических параметров высоковольтных многопереходных солнечных батарей // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. 2010. № 2. С. 50—54.

  56. Комов А. Н.Лизункова Д. А. Введение в физику полупроводниковой электроники: Учеб. пособие. Самара: Самарский университет, 2015. 156 с.

  57. Свид-во о гос. рег. программы для ЭВМ № 2018661051, Программный комплекс расчета начального участка вольт-амперных характеристик GaAs/AlGaAs резонансно-туннельных диодов с возможностью проведения машинного статистического эксперимента / М. О. Макеев, К. В. Черкасов, Ю. А. Иванов, С. А. Мешков. 2018.