Сверхпроводниковый туннельный диод

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, содержащий два электрода, эмиттер и коллектор из сверхпроводника, разделенных полупроводниковой прослойкой, отличающийся тем, что, с целью повышения максимальной рабочей частоты и мощности, полупроводниковая прослойка выполнена в виде многослойной квантовой гетероструктуры, состоящей по крайней мере из двух полупроводниковых материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, причем слой узкозонного материала расположен между слоями широкозонных материалов и образует потенциальную яму для основных носителей заряда, содержащую по крайней мере один квантовый уровень.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к сверхпроводниковым туннельным диодам.
Целью изобретения является повышение максимальной рабочей частоты и мощности.
На фиг.1 изображена структура предлагаемого диода, где показаны сверхпроводящие электроды 1, 2, слой 3 широкозонного полупроводника толщиной b₁, слой 4 узкозонного полупроводника толщиной а, слой 5 широкозонного полупроводника толщиной b₂, подложка 6.
На фиг.2 изображена энергетическая диаграмма диапазона проводимости предлагаемого диода, в котором основными носителями являются электроны, в отсутствие приложенной к диоду разности потенциалов (U 0), где b₁ и b₂ толщины барьерных слоев широкозонного материала; а толщина слоя, образующего квантовую яму; _F энергия Ферми электронов в сверхпроводниковых электродах; _Б1, _Б2 значения электронного сродства материалов, образующих эмиттерный 3 и коллекторный 5 барьерные слои _я значение электронного сродства для материала, образующего слой 4 квантовой ямы; , 2 - работа выхода и ширина энергетической щели сверхпроводникового материала соответственно; _о резонансное значение поперечной энергии электронов в квантовой яме, отсчитываемое от уровня Ферми; _о¹ _о + _я - то же значения, отсчитываемое от дна квантовой ямы.
На фиг. 3 изображена энергетическая диаграмма в условиях, когда к диоду приложена разность потенциалов U_кр.
На фиг. 4 изображена вольт-амперная характеристика прототипа (сплошная линия) и предлагаемого диода (штриховая линия) для случая, когда оба электрода выполнены из одного сверхпроводникового материала, где U_кр разность потенциалов, при которой имеет место резонансное туннелирование носителей заряда через гетероструктуру; 2 - ширина энергетической щели сверхпроводника; q заряд электрода.
Сущность изобретения основана на резонансном туннелировании носителей заряда через дискретный энергетический уровень квантовой гетероструктуры при разности потенциалов на диоде, близкой к пороговому значению, при котором становится возможным квазичастотное туннелирование носителей заряда между сверхпроводящими электродами диода.
П р и м е р. Рассмотрим в качестве примера предлагаемого сверхпроводникового туннельного диода (фиг.1) диод, в котором электроды 1, 2 выполнены из ниобия с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_с 9 К, а полупроводниковая гетероструктура между этими электродами выполнена на основе твердых растворов арсенид галлия арсенид алюминия. Ширина энергетической щели ниобия составляет около
2 3,5kT_c 3 мЭв, (1)
Работа выхода ниобия составляет
= 3,99 эВ (2)
Значение электронного сродства для твердого раствора арсенид галия арсенид алюминия зависит от доли х алюминия в таком растворе, Для чистого арсенида галлия
_GaAs 4,1 эВ (3)
Для твердого раствора Al_xGa_1-xAs значение электронного сродства связано с долей алюминия х соотношением
(х) _GaAs 0,8 x 4,1 0,8 x (4)
Выполним образующий квантовую яму слой 4 (фиг.1) из твердого раствора Al_0,1Ga_0,9As, для которого
= я 4,02 эВ, (5)
Барьерные слои 3 и 4 выполним одинаковой толщины b₁ b₂ 5 нм из твердого раствора Al_0,35Ga_0,65As, для которого
_{Б1 Б2 Б} 3,82 эВ, так что высота барьеров составит
_Б - _я 0,2 мэВ. (6)
При равной толщине барьеров из (3) следует
_о 0, так что превышение резонансного энергетического уровня над дном ямы составит
_о¹ _{о я} = _я- = 30 мэВ, (7)
Эффективная масса электрона в твердом раствора Al_0,1Ga_0,9As равняется
m^* 0,068, (8) где m_o масса свободного электрода.
Подставляя значения (6) (8) в формулу
= arcsin arcsin (9)
где m* эффективная масса носителей заряда в слое 4 (фиг.1);
2 h постоянная Планка.
В уравнении (9) для простоты предположено, что работы выхода обоих электродов одинаковы ( _{1 2} 0).
Найдем требуемую толщину квантовой ямы
a=(2m^* _o) -2arcsin 12 нм. (10)
Таким образом, полная толщина полупроводниковой прослойки между эмиттером и коллектором составит
a+2b 22 нм.
При рабочей температуре Т_о 4,2 К тепловой разброс энергии туннелирующих электронов составит
kT_o 0,3 мэВ < <
Естественная ширина резонансного уровня при толщине барьеров 5 нм и высоте 0,2 эВ не превышает 10^-5 эВ. Поэтому эффект резонансного туннелирования в таком туннельном диоде будет выражен достаточно четко.
Предлагаемый диод может быть выполнен и на основе высокотемпературных сверхпроводников типа сверхпроводящей керамики YВa₂Cu₃O_7-б. Такой диод будет работать при более высоких напряжениях (U_кр 30 мВ) и иметь соответственно больший динамический диапазон, чем диод на основе ниобия.
Таким, образом, резонансный характер туннелирования носителей заряда в предлагаемом диоде обеспечивает, с одной стороны, высокую крутизну нелинейного участка ВАХ в рабочей точке и, следовательно, высокие значения чувствительности диода в режиме детектирования или смещения высокочастотных сигналов, а с другой возможность использования сравнительно толстых (15-30 нм) слоев нелегированного полупроводника с минимальным содержанием примесей и высоким (10³-10⁵ Ом см) удельным сопротивлением, благодаря чему предлагаемый диод имеет более высокое удельное значение активной и более низкое (пропорциональное удельной емкости) реактивной составляющих высокочастотного импеданса по сравнению с прототипом, а также значительно более высокое, чем прототип, значение максимальной рабочей частоты при равных значениях площади контакта.
Изобретение относится к электронной технике, а именно к сверхпроводниковым туннельным диодам. Изобретение обеспечит повышение максимальной рабочей частоты и динамического диапазона сверхпроводникового туннельного диода (СТД), что достигается тем, что полупроводниковая прослойка между сверхпроводниковыми электродами выполнена в виде многослойной квантовой гетероструктуры, состоящей по крайней мере из двух полупроводниковых материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, причем слой более узкозонного материала расположен между слоями более широкозонных материалов и образует квантовую потенциальную яму для основных носителей заряда. 4 ил.