Semiconductor devices for the 21-st century

    Here you will find some new ideas (and their implementations) about semiconductor devices which, we believe, are worth to read through.  In doing so you become aware of their principles of operation, their (rather simple) technology and possible applications. In particular,  you will be informed how to produce a variable capacitor (varicap or varactor) and transistor  with linear dependence of capacitance or current versus  applied voltage.
    More importantly, you will  be introduced to voltage-controlled capacitors, which,  from our point of view, are the  only real rival to transistor -  the King of present day semiconductor electronics. No special or sophisticated knowledge is required to understand the material presented.  Very elementary notions about semiconductor junctions will suffice.

What for?

    The present site is established in order to provide a worldwide access to some basic principles of construction and functioning of a new classes of semiconductor devices including:

    The inventor is Valery Ioffe, assisted by A. Maksutov.

Contact information:
630034, Novosibirsk, Novogodniya Street, 16, flat 16, Russia
Ioffe Valery Moiseevich


Short summary

    The basic idea of our approach to the new design principle of semiconductor devices can be described in a few words and reads as external voltage-controlled effective electrode area.
    A very important feature of our invention is that it can be realized (with some know-how, of cause) using standard semiconductor technology. We, thus, provide a way to obtain some brand-new semiconductor devices, for example, varicaps, voltage-controlled capacitors (capacitance transformers), microstrip transmission lines and transistors. In contrast to each and every existing devices, our varicaps can be fabricated to have any predetermined C-V characteristic and virtually unlimited tuning range. Voltage-controlled capacitances can be used as amplifying elements in electronic circuits replacing in many cases the ubiquitous transistors simply because they are able to deliver the power levels orders of magnitude higher than most advanced transistors under the same power dissipated within the device. In microwave region of electromagnetic spectrum our voltage-controlled capacitors can even to replace the vacuum tubes. Transistors made according to our invention can be easily fabricated with linear transfer characteristics. Capacitance transformers to be described below are viable alternative to bulky variable capacitors presently in use and, in particular, can be used for the high-fidelity frequency modulation. Using linear varicaps one can construct mixers without parasitic intermodulation frequencies.
    Voltage-controlled capacitors (VCC) can be used for the fabrication of high power generators, amplifiers and converters since they are devoid from usual constraint imposed by breakdown voltage of a p-n junction (or any other semiconductor junction) and Joule heating. Regulated transmission lines are a key to the solution of a notorious problem of impedance matching in microwaves and are also capable to greatly facilitate microminiaturazation and frequency tuning of microwave devices.

    Surely, our ideas on these new devices are protected by a number of patents in Russia and USA. Presently, several additional patent applications are filed.

What Ioffe offer is: electronically reconfigurable semiconductor devices to meet the challenges of 21-st century.


    Our aim is to acquaint you with brand-new semiconductor devices that are presently unavailable on the market. But should be. Hopefully, the amazing simplicity of their principles of operation will attract your attention and may be provoke the business activity. We will be grateful to anyone who will share the information discovered on this site with friends and colleagues, tutors and instructors, chiefs and other VIP’s. The outsiders must know that current activities in semiconductor technology worldwide are more or less governed by a document entitled “International Technology Roadmap for Semiconductors”.  We think that in many important cases this “roadmap” directs the semiconductor community in the wrong direction.
    Several centuries ago Francis Bacon said truly eternal words: ”Knowledge is power”. Here you will find the knowledge. Try to comprehend it and you will be empowered.
    We seek the serious persons capable to organize the production of our devices or, at least, to acquire the licenses and patents to this end.

Where we are now?

    Our experience show that without some technological tricks device mass production on the available equipment is difficult or impossible. Nevertheless, two technological routes have been (pain-stakingly) developed/adopted for mass production of our devices on standard technological equipment and test samples have been successfully fabricated.


    To start with it is necessary to read the Appendix 2, then Appendix 3 and Appendix 4. If you will find the technical details somewhat difficult it is useful to begin from the Appendix 1. In 1994 Valery Ioffe and Sergei Chikichev have produced the first linear varicap. In 2003 V. Ioffe has written the text, in which some results of researches, fulfilled by him in a semiconductor electronics engineering and the technology from 1994 for 2003, was contained. Sergei Chikichev has translated this text to English language and has brought some addition to the text. Results was published in Solid-State Electronics. Because of the paper was published as subset, we present below both full version (APPENDIX 6) , and published version (APPENDIX 7). In Russian variant of a site we have located the project for the investors (APPENDIX 8). The similar project was directed by us to the to the competition of the national investment projects in 2003, in 2004 this project was among the finalists of competition.

Is it possible to make materials with high-temperature ionic superconductivity?

As it is not strange, this problem probably can be answered with the experts of semiconducting technologies. The article may be of special interest for semiconductor technologists since they have all the necessary equipment for growth of short-period straned-layer superlattices

It is shown that some ionic crystals involving Li6-ions can be superconductive at temperatures of the order of 10-34-10-43 K with unusual ionic wave-like character of superconductivity. Under strong compression, however, these materials can be made superconductive even at room (and higher) temperature. The basic idea is that we try to find some materials in which bosonic ions with suffi ciently small effective mass are used as charge carriers instead of Cooper’s pairs in order to provide high temperature ionic superconductivity. Among single-charged ions comprising ionic crystals only lithium isotope Li6 can be used for that purpose. Thus, we consider Li6Cl, Li6F, Li6Br and Li6I ionic crystals. Assuming that all interactions of lithium ions in crystalline lattice can be descri bed by suitable periodic potential the corresponding Schrodinger equation can be solved using well-known tight-binding approximation. The form of molecular potential used in the calculations is fitted to experimental molecular dissociation energies, as well as their size and elastic properties of ionic crystals. The results show that Bose-condensation temperature for Li6-ions is of the order of 10-34-10-43 K in all crystals. If, however, the crystal is compressed so that the wave functions of neighboring lithium ions are sufficiently overlapped, then Bose-condensation temperature of Li6-ions can be increased significantly. Our estimates show that compressing the crystals by 20-22% in all three directions one can rise the Bose-condensation temperature in all crystals considered to above room temperature. Taking into account the well-developed semiconductor heteroepitaxial technologies this high compression (in two dimensions) can be accomplished in practice by MBE-growing the short-period strained-lattice superlattices from very thin (several monolayers) layers of corresponding ionic crystal interdisposed by relatively thick layers of thoughtfully-chosen solid alloys. It is far from being clear to what extent the band-structure theory can be applied to the ions in ionic crystals. As to electrons, the theory already has a multiple confirmations. Unfortunately, for ions there is presently no experimental facts supporting or denying its applicability, simply because it is impossible to study magnetic properties of any substance at 10-34-10-43 K. Apparently, it is also valid that nobody never has compressed ionic crystals by 20% of their initial (1 atm) volume measuring simultaneously their electrical properties, since only recently this possibility has been demonstrated for extremely thin semiconductor epilayers. Obviously, it would be a dangerous undertaking to mechanically extend the band-structure theory from electrons to ions. Due to electron exchange interaction there are some peculiarities in Fermi-ion interactions. Ideally, one must be able to solve a many-particle problem with all interactions of valence electrons and ion’s-core included. But such a solution, and especially its reduction to the form sufficiently simple for extracting the experimentally measured values, remains a dream. Therefore, only experiment is able to definitively answer the question about the adequacy of our calculations to reality. From the authors point of view the applicability of band structure approximation to bosonic ions is plausible. The author hopes that some of the readers may be instrumental in fabrication of heterostructures described above. See Appendix 5 and Appendix 5-R.


[1] (See Appendix 9) Ioffe V M Is it possible to make materials with ionic super conductivity? International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument and Engineering (APEIE-2006), Novosibirsk) vol 1 p. 21-27

[2] (See Appendix 10) Ioffe V M Is it possible to make materials with ionic super conductivity? Part II International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument and Engineering (APEIE-2008), Novosibirsk) vol 1 p.15-21

[3] (See Appendix 11) Ioffe V M Does high-temperature ionic superconductivity exist? International Journal of Modern Physics B Vol. 23, No. 4 (2009) 597-613.

In work [3] of a misprint are detected.

Is written (p.598,The equation (8)): m*= ћ3 / 2E(100)a2

Should be: m*= ћ2 / 2E(100)a2

The first line on page 603 is written: Inserting the ground state wavefunction into (18), one can calculate the overlap

Should be: Inserting the ground state wavefunction into (22), one can calculate the overlap

An alternative approach to solving the thermonuclear synthesis problem.

An idea of inertial thermonuclear synthesis consists in accumulation of energy and subsequent almost instantane-ous transformation of that energy into heat within a small milligram –scale dt-capsule (a mixture of deuterium and tritium in solid freezed state). One can, however, go another way by accumulating the kinetic energy in dt-capsule itself by accelerating it. The velocities needed are of the order of one million meters per second, corresponding to optimal temperature of the thermonuclear reaction ~ 10-20 keV, if that energy can be transformed into heat by striking the target within the reactor or by collision with a similar oncoming capsule. It is important to note that in this case an opportunity appears to deliver the fuel into reactor still hot after previous micro-blow. Obviously, the ignition of thermonuclear reaction can be achieved by bombardment of dt-target by solid body. Though the idea of acceleration of solid-state macroscopic particles is not new to solution of a thermonuclear problem and the different ways of acceleration of macroscopic particles are researched [ Monzon V.M., Acceleration of macroscopic particles for controlled thermonu-clear fusion. Uspekhi Fizicheskikh Nauk,1981,V.134,pp.611-637. ( in Russian)], till now was not retrieved of technical solutions, acceptable to practice. The only problem to be solved is how one can accomplish the required acceleration of microparticles. How one can construct the required accelerating machines of acceptable size and relatively cheep? It can be shown that this is technically quite possible, and required accelerators with a length of the order of 100-1000 m can be constructed using known superconducting materials. In APPENDIX 12 and APPENDIX 12-R one can find the answer.

APPENDIX 1 - Varicap (112kB)
APPENDIX 2 - VCC (186kB)
APPENDIX 3 - Semiconductor devices (238kB)
APPENDIX 4 - Fabrication. Practical recommendations (198kB)
APPENDIX 5 - Ionic superconductivity (282kB)
APPENDIX 6 - New varactors (full version) (1012kB)
APPENDIX 7 - New varactors (published version) (536kB)
APPENDIX 9 - Conference I (published version) (187kB)
APPENDIX 10 - Conference 2 (published version) (244kB)
APPENDIX 12 - Simple solution for thermonuclear problem (175kB)

Russian variant:

Новые полупроводниковые прибры. Ионная сверхпроводимость. Другой подход к решению термоядерной проблемы.

Новые полупроводниковые приборы.

Предложены новые варакторы, транзисторы, линии передачи, имеющие ряд преимуществ по сравнению с аналогами и управляемые емкости. По аналогии с транзисторами, выходное сопротивление которых регулируется источником сигнала, размещенным во входной цепи, предлагается трансформатор емкости - прибор, величина выходной емкости которого регулируется сигналом, поданным на входную емкость. В отличие от варикапа (варактора), являющегося двухполюсником, управляемая емкость является прибором с тремя выводами. Управляемые емкости позволяют осуществлять усиление, частотное преобразование сигналов и многократно превосходят транзисторы и другие полупроводниковые приборы по уровню передаваемых мощностей. Дело в том, что у них температурные ограничения снижены (емкость не нагревается) и отсутствует электронное ограничение по мощности, связанное с пробоем полупроводниковых структур (приводящее к квадратичному падению предельной мощности полупроводниковых приборов с частотой). Применение управляемых емкостей снизит стоимость большого числа электронных устройств, вследствие замены ими электровакуумных элементов. Например, стоимость перестраиваемого генератора мощностью порядка 200 Вт на ЛБВ на частоте 5 - 7 ГГц - порядка 10000$, планируемая себестоимость такого же устройства на управляемых емкостях меньше, как минимум, в 100 раз. В настоящее время имеются гетеропереходные транзисторы, работающие на частотах в сотни ГГц. Вследствие электронного ограничения, мощность их невелика (менее мВт). Электронное ограничение по мощности принципиально не позволяет существенно увеличить мощность транзисторов (как и других полупроводниковых приборов) на больших частотах при любом их совершенствовании, что сужает применение полупроводниковых приборов в СВЧ области. Например, не дает возможности непосредственно использовать их в приемо – передающих устройствах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн, в частности, в сотовых или спутниковых устройствах связи. В комбинации гетеропереходных транзисторов с управляемыми емкостями имеется возможность изготовить миниатюрное полупроводниковое приемо-передающее устройство мощностью единицы Вт на рабочих частотах в сотни ГГц. Перевод устройств связи и интернета с частот в единицы ГГц на частоты в сотни ГГц позволил бы на порядки увеличить число одновременно работающих каналов связи, и в сотни раз увеличить объем передаваемой информации за одно и тоже время. Управляемые емкости могут быть использованы в качестве трансформаторов напряжения, легко реализуемых в интегральном исполнении в среднечастотной, высокочастотной и СВЧ области. Индуктивные трансформаторы плохо стыкуются с планарной технологией производства полупроводниковых приборов. Применение трансформаторов на управляемых емкостях вместо индуктивных позволит снизить себестоимость электронной продукции. Имеются российские патенты. Изготовлены экспериментальные образцы.

Что еще изобретено?

Изобрел приборы В.М. Иоффе, существенную поддержку в работе над приборами оказал Максутов А.И.

В настоящее время поддерживаются следующие патенты (отсутствие финансов не позволило нам осуществить поддержку всех патентов): Патент РФ № 2139559 (заявка 96 124161 от 18.01.96). Запатентованы управляемые емкости, транзисторы , управляемые линии передачи. Патент РФ № 2143157 (заявка № 95119306 от 15.11. 95). Запатентован транзистор с задаваемой передаточной характеристикой. В 2006 году получено еще 3 патента по управляемым емкостям. По заявке № 2001130810/28(032734) патент № 2279736. По заявке № 2003120774/28(021962) патент № 2278448. По заявке № 2004115661/28(016999) патент № 2278449. Патентообладатели Иоффе В.М., Максутов А.И.

Какова цель?

Ионная сверхпроводимость

Идея заключается в том, чтобы в качестве носителя заряда использовать не куперовскую пару, а ион, являющийся бозоном, и попытаться найти материалы, в которых эффективная масса такого иона достаточно мала для достижения высокотемпературной ионной сверхпроводимости. Рассматривались ионные кристаллы LiCl, LiF, LiBr, LiI с изотопом лития Li6. Расчеты показывают, что температура Бозе - конденсации ионов лития в кристаллах порядка 10-34 - 10-43 K. При сжатии упомянутых кристаллов, вследствие перекрытия волновых функций соседних ионов лития температуру Бозе-конденсации можно увеличить. Из расчетов следует, что сжатие кристаллов на 20 - 22 процента по всем трем направлениям приводит к превышению температуры Бозе-конденсации ионов Li6 над комнатной. Создание материалов с ионной сверхпроводимостью (возможно, при комнатной температуре) можно попробовать практически осуществить, сжимая упомянутые кристаллы, или, например, методами молекулярно - лучевой эпитаксии, формируя гетероструктуры, содержащие толстые и тонкие слои специально подобранных составов, или сжатием специально созданных гетеростуктур. Смотри приложение А5-R.


К настоящему времени проблема управляемого термоядерного синтеза технически не решена. Ни лазерный разогрев твердотельной мишени ни разогрев ее пучком ионов ни использование инерционного z- пинч эффекта, с планируемой заменой всей токопроводящей системы внутри реактора, после каждого микровзрыва, ни попытки удержания плазмы, разогретой током, в магнитном поле не позволили создать плазму пригодную для получения энергии в результате термоядерного синтеза. Для трех из четырех перечисленных способов возможного получения энергии задачей ближайшего времени является демонстрация технической возможности создания плазмы с необходимыми для производства электроэнергии параметрами, в единичном эксперименте (о приемлимых величинах полного КПД речь не идет). Но даже в случае успешного решения этой задачи (что весьма вероятно) для создания промышленных энергетических установок еще далеко. Преграды на пути создания окупаемой электростанции таковы, что работа по их преодалению, если ориентироваться на существующий сегодня уровень технических возможностей, видимые технические сложности и экономические затраты, может занять время, определяемое в лучшем случае десятками лет. Идея инерционного термоядерного синтеза заключается в том, чтобы накопить энергию, а потом почти мгновенно преобразовать ее в тепло в небольшой милиграмовой dt-капсуле (смеси дейтерия и трития в твердотельном (замороженном)состоянии). Можно поступить иначе, накапливая в виде кинетической энергию в самой dt капсуле, путем ее ускорения. Ускорять капсулу надо до скоростей порядка миллиона метров в секунду, что соответствует оптимальной температуре термоядерной реакции порядка 10-20 кэВ, если эту энергию преобразовать в тепло в результате удара о мишень, помещенную внутри реактора, или о другую ускоренную в dt капсулу, при встречном движении капсул. При этом, что немаловажно, появляется возможность доставки топлива в полностью не остывший от предыдущего микровзрыва реактор. Очевидно, что термоядерного поджига можно добиться также пи бомбардировке dt мишени ускоренным твердым телом.Хотя идея ускорения твердотельных макрочастиц для решения термоядерной проблемы не нова и исследованы различные способы ускорения макрочастиц [Moнзон В.M., Ускорение макрочастиц для управляемого термоядерного синтеза. УФН,1981, т.134,стр.611-637.], до сих пор не было найдено приемлемых для практики технических решений. Размеры расчетных ускорителей превышали сотни км. Вопрос стоит только в том, как осуществить необходимое ускорение макро частиц. Как выполнить необходимые для этого ускоряющие (относительно недорогие) устройства приемлемых для изготовления размеров? Оказывается что технически возможно создание таких ускорителей длиной порядка 100-1000 м при использовании известных сверхпроводящих материалов. Детали можно найти в APPENDIX 12-R .

Удивительно, но возможно, следует отказаться от нагрева плазмы до гигантских температур для получения энергии синтеза ядер. Считается твердо установленным, что при обстреле мишени ускоренными атомными ядрами, вероятность ядерных реакций ничтожно мала. Однако это утверждение можно опровергнуть, если видоизменить обстрел. В частности, двухатомные ионы можно применить для синтеза ядер и производства ядерной энергии. Двухатомный ион ускоряют в электрическом поле, а затем создают условия для различного торможения каждого из ядер в тормозящей среде, чтобы разность в скоростях ядер соответствовала кулоновскому межядерному барьеру. Два ядра предварительно возбужденного или предварительно разбитого на ион и атом двухатомного иона сталкиваются между собой внутри или за границами специальной мишени. Детали можно найти также в APPENDIX 12-R .

В приложениях представлены PDF файлы по темам, приведенным в таблице.

В APPENDIX 1-R описан новый варактор. В APPENDIX 2-R описана управляемая емкость. В APPENDIX 3-R приведена статья из журнала Электроника НТБ, 6/97, c.5-10, В. Иоффе, Полупроводниковые приборы на основе модуляции площади электродов. В APPENDIX 4-R приведена статья из журнала Электроника НТБ 5/2001 стр. 60-63, В. Иоффе, Управляемые емкости, особенности создания. В APPENDIX 5-R описана ионная сверхпроводимость. В APPENDIX 8 приведен проект из конкурса русских инноваций в научно-технической сфере, попавший в финальную часть конкурса, проводимого в Москве в 2004 году (в проект внесены дополнительные ссылки на литературу, опубликованную позже, и изменен E-mail, поскольку старый утратил силу). В приложении APPENDIX 12-R опиано как по другому решить термоядерную проблему. Иоффе В.М., Новосибирск, Россия.

APPENDIX 1-R - Варактор (125kB)
APPENDIX 2-R - Управляемая емкость (204kB)
APPENDIX 3-R - Полупроводниковые приборы (260kB)
APPENDIX 4-R - Создание управляемых емкостей (235kB)
APPENDIX 5-R - Ионная сверхпроводимость (417kB)
APPENDIX 8 - Проект для инвесторов (2004) (346kB)
APPENDIX12-R - Простые решения проблем синтеза ядер (212kB)