Исследование нелинейных явлений в электродинамических системах, содержащих полупроводниковые структуры

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 6
1. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ПОЛУПРОВОДНИК,
ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ВОЛН
ВЫСШИХ ТИПОВ................................................... 26
1.1. Распространение электромагнитной волны в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень.......................................... 26
1.1.1. Вывод выражения для затухания СВЧ волны в волноводе, содержащем полупроводниковый
стержень конечной длины................................. 26
1.1.2. Теоретические и экспериментальные результаты исследований зависимости характеристик распространения волны в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень,
от его размеров......................................... 42
1.1.3. Теоретические и экспериментальные результаты исследований зависимости характеристик распространения волны в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень,
от его положения и уровня падающей СВЧ мощности......... 47
1.2. Резонансные особенности в системе диафрагма -короткозамыкающий поршеюь, обусловленные
возбуждением волн высших типов.............................. 54
з
1.3. Влияние высших типов волн на СВЧ эффект магнитосопротивления в многослойных эпитаксиальных полупроводниковых
структурах.................................................... 58
1.4. Выводы....................................................... 65
2. РАСПОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВОЛНОВОДАХ С
РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ........................................ 67
2.1. Полупроводниковые волноводы с изменяемой
под действием оптического излучения проводимостью............. 67
2.2. Изменение проводимости полупроводникового
волновода инжекцией через р-п - переход....................... 74
2.3. Выводы....................................................... 80
3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕГО СВЧ СИГНАЛА.................................. 82
3.1. Особенности работы СВЧ генераторов на диоде Ганна при воздействии на них внешнего
(синхронизирующего) СВЧ сигнала............................... 82
3.1.1. Модуляция выходного сигнала СВЧ генератора на диоде Г анна воздействием на него
внешнего СВЧ сигнала...................................... 82
3.1.2. Синхронизация мод в СВЧ генераторах
на диодах Г анна.......................................... 90
3.2. Математическое моделирование процессов
в синхронизированном генераторе на диоде Ганна................ 94
3.2.1. Выбор эквивалентной схемы.............................. 94
3.2.1. Математическая модель.................................. 98
3.2.3. Результаты численного моделирования.................... 101
3.3. Изменение вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов при воздействии
на них СВЧ излучения.......................................... 107
4
3.3.1. Механизмы детектирования точечными диодами при воздействии высоких
уровней СВЧ мощности..................................... 107
3.3.2.Отрицательное дифференциальное сопротивление туннельного диода, наведенное
внешним СВЧ сигналом.................................... 115
3.3.3.Стимулированная внешним
сверхвысокочастотным излучением работа
тугагельного диода в режиме генерации.................... 128
3.4.Выводы 131
4. ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СХЕМ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕЛИНЕЙНЫМИ И ИНЕРЦИОННЫМИ
ПРОЦЕССАМИ....................................................... 133
4.1. Изменение нелинейной составляющей реактивности диодов Ганна в зависимости
от режим его работы.......................................... 133
4.2. Особенности шумовой генерации в СВЧ генераторе
на диоде Ганна с обратной связью............................. 147
4.3. Периодические и хаотические колебания в твердотельных автогенераторах,
управляемых магнитным полем.................................. 159
4.4. Влияние инерционности схемы управления на
характеристики СВЧ - модуляторов на р-\-п - диодах........... 164
4.5. Выводы...................................................... 1^1
5. УСТРОЙСТВА СВЧ И ИК-ДИАПАЗОНОВ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ СТРУКТУР И ПОЛЕЙ, СОЗДАННЫЕ НА ОСНОВЕ ВЫЯВЛЕННЫХ НОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СТРУКТУРАМИ
С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.................................... 173
5
5.1. Устройства на полупроводниковых волноводах...................... 173
5.1.1. Соединительные переходы между полупроводниковыми и металлическими волноводами........................... 173
5.1.2. СВЧ модуляторы на полупроводниковых волноводах с оптическим и электрическим
управлением................................................. 180
5.1.3. Невзаимные устройства ИК - диапазона
на основе n-JnAs............................................ 187
5.2. Генераторы на полупроводниковых приборах........................ 190
5.2.1. СВЧ генератор на диэлектрическом волноводе................ 190
5.2.2. СВЧ генератор и усилитель на диоде Ганна.................. 195
5.2.3. Синхронизированный на субгармонике
СВЧ генератор на диоде Ганна................................ 198
5.2.4. Генератор автоколебаний на магнитодиоде................... 201
5.3. Методы и средства измерения параметров
материалов, приборов и полей..................................... 206
5.3.1. Использование эффекта автодинного детектирования в СВЧ генераторах на диодах Ганна на диэлектрическом волноводе для измерения
параметров листовых диэлектриков............................ 206
5.3.2. Измерение подвижности носителей заряда в полупроводнике с использованием резонаторного
метода СВЧ магнитосопротивления............................. 212
5.3.3. Измеритель индукции магнитного поля на основе магниточувствительных
интегральных схем........................................... 215
5.4. Основные результаты и выводы.................................... 219
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................. 222
1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 225
ВВЕДЕНИЕ
К числу современных направлений, развивающихся на стыке радиофизики и физики полупроводников, можно отнести исследования нелинейных явлений в электродинамических системах, содержащих полупроводниковые структуры. Интерес к подобным исследованиям обусловлен многими причинами. Во-первых, широким применением достижений твердотельной СВЧ электроники во многих отраслях науки и техники, что связано с открытием новых физических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых приборах и их использованием для разработки и создания как дискретных, так и интегральных устройств для генерации, усиления, преобразования и управления энергией электромагнитного излучения СВЧ диапазона длин волн [1 - 52]. Во-вторых, сравнительно мало исследованными особенностями взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми материалами и структурами, которое носит в большинстве случаев принципиально нелинейный характер [48, 53 - 60]. Причем такой характер взаимодействия обусловлен как нелинейными свойствами полупроводниковых материалов и структур, так и существенно более сложным взаимодействием электромагнитного излучения с полупроводниками в случае многомодового распространения волны в электродинамической системе. Кроме того, интенсивное развитие в последнее время подхода к описанию объектов различной природы как нелинейных динамических систем [61 - 64] приводит к необходимости анализа известных устройств и систем с точки зрения динамики изменения режимов работы при изменении их параметров, изучению бифуркаций, условий возникновения и исчезновения периодических и хаотических режимов работы. Такие исследования позволяют обнаружить новые физические закономерности поведения твердотельных радиотехнических и радиофизических систем, оценить их поведение при воздействии несанкционированных сигналов или в экстремальных условиях.
7
Для строгого теоретического анализа характеристик электродинамических систем с полупроводником, в отличие от электродинамических систем с металлическими и диэлектрическими включениями [65 - 86], требуется решение чрезвычайно сложных электродинамических задач, в которых наряду с диэлектрической проницаемостью следует учитывать проводимость полупроводника, которая может иметь тензорный характер и изменяться в широких пределах под действием температуры, электрического и магнитного полей, оптического и электромагнитного излучений [87 - 101]. Поэтому наиболее распространенным на практике является либо чисто эмпирический подход при исследовании таких систем, либо использование расчетов, основывающихся на предположении о том, что внесение полупроводникового элемента в электродинамическую систему слабо искажает структуру существовавшего в ней СВЧ поля, и в системе распространяется только волна основного типа [102 - 109].
Однако из экспериментальных результатов и соответствующих расчетов, проведенных, например, с помощью аппарата теории возмущения с использованием поправок, учитывающих возможность возникновения высших типов волн или колебаний, следует, что для большинства используемых на практике полупроводниковых материалов так называемое "одномодовое приближение" не позволяет получить даже качественного согласования с экспериментом [109 - 116]. Более того, оказывается, что вопреки предсказываемому в результате использования одномодовых представлений увеличению затухания с ростом проводимости или толщины полупроводникового образца, помещенного в волновод может наблюдаться немонотонный характер этой зависимости, включающей участки с уменьшением затухания [117 -121].
Возбуждение волн высших типов в электродинамических системах, содержащих полупроводник, приводит к новым явлениям, описание которых с точки зрения "одномодовой" теории невозможно. В частности, возбуждением воли высших типов обусловлены эффект смещения поля при воздействии внешнего постоянного магнитного поля на полупроводниковую пластину, расположенную в волноводе, и эффект невзаимного распространения волны в таком волноводе [122 - 137]. Помимо этого, взаимодействие по высшим типам волн в ряде случаев является причиной инверсного режима работы р - 1 - п - диодных коммутирующих устройств [120], изменения частотной полосы и потерь запирания в коммутирующих устройствах, содержащих близко расположенные держатели с р - / - я - диодами, а также резонансного затухания волны в системе штырь с зазором - короткозамыкающий поршень при расстояниях между ними много меньших длины волны в волноводе [138 - 141].
Немонотонный характер зависимости затухания в волноводе от положения, размеров и проводимости размещенного в нем полупроводникового образца, не характерный для одномодового режима распространения волны, объясняется
8
[117, 119] тем, что при определенных условиях один из возбужденных высших типов волн распространяется с меньшим затуханием, чем волна основного типа.
Следует отметить, что исследований возможностей существования других сценариев возникновения немонотонных зависимостей затухания волны от положения и размеров полупроводникового образца, связанных с особенностями продольного и поперечного распределений поля в условиях многомодового характера распространения волны в таких системах проведено не было. Также в известной литературе не обсуждались возможность возникновения резонансного затухания волны в других, кроме упомянутых выше, системах, например, в системе диафрагма - короткозамыкающий поршень, характер изменения резонансной частоты при изменении расстояния до короткозамыкающего поршня. Помимо этого, не рассматривалось влияние уровня падающей СВЧ мощности на характеристики распространения волны в электродинамической системе с полупроводником в условиях возбуждения в ней волн высших типов.
В связи с вышесказанным, представляет интерес дальнейшее исследование особенностей распространения волн в электродинамических структурах с полупроводником, обусловленных возбуждением высших типов волн. Такие исследования проводились для случая частичного заполнения волновода по одной из его стенок [122 - 137, 142 - 155]. Случай же заполнения прямоугольного металлического волновода частично по обеим стенкам, например, продольно расположенным полупроводниковым стержнем с регулируемой проводимостью, поперечные размеры которого меньше соответствующих размеров волновода, значительно менее исследован. Такая конфигурация заполнения волновода представляет интерес потому, что она эквивалентна экранированному полупроводниковому волноводу, перспективность использования которого для создания монолитных и гибридных интегральных СВЧ схем отмечалась, например, в [156 - 171]. Кроме того, исследование характера распределения поля в экранированном полупроводниковом волноводе позволяет определить условия трансформации основного типа волны металлического волновода в основной тип волны полупроводникового волновода и, тем самым, решить задачу согласования таких линий передачи.
Для теоретического описания распространения волны в полупроводниковых волноводах в основном используются методы расчета, разработанные для диэлектрических волноводов и световодов [172 - 176]. Однако, для полупроводниковых волноводов с регулируемой светом или электрическим полем проводимостью эти методы не всегда применимы, а возможности для описания распространения волны в таких волноводах других методов, в частности, основанных на разложении поля волны по собственным функциям металлического экрана [177], в литературе практически не отражены. Кроме того, если экспериментальные исследования распространения волны в полупроводниковых волноводах с
9
регулируемой лазерным излучением проводимостью представлены достаточно широко [178 - 194], то изменение характеристик распространения волны при изменении проводимости в объеме полупроводника электрическим полем (инжек-цией носителей заряда через р - п - переход), в отличие от изменения проводимости на поверхности волновода [195 - 200], практически не исследовано.
При описании свойств полупроводниковых приборов на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики, например, вольт-амперную характеристику (ВАХ) или импеданс. Такой подход позволяет в ряде случаев успешно описывать свойства твердотельных приборов и конструировать различного типа СВЧ устройства на полупроводниковых приборах.
В то же время известно, что в зависимости от режима работы и уровня воздействующей СВЧ мощности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых приборов. В частности, было установлено, что при определенных уровнях СВЧ мощности в ограничительных р - / - п - диодных устройствах может происходить скачкообразное изменение выпрямленного тока, возникать шумовая генерация, гистерезисные явления, в спектре выходного сигнала возможно с увеличением уровня мощности последовательное появление субгармонических составляющих различной кратности, а воздействие высокого уровня мощности на р - i - п - диод или на два последовательно соединенных р - / - п -диода может приводить к появлению на ВАХ диодов одного или нескольких участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением и, как следствие этого, к модуляции выходного СВЧ сигнала сравнительно более низкочастотными колебаниями [41, 201 - 204]. Эти особенности работы /?-/-«- диодных ограничительных устройств были частично описаны с использованием представления р - / - п - диода в виде нелинейного контура и на основе импедансиой модели, учитывающей связи между пространственными областями диода по напряжению и току [48, 205].
Теоретический анализ обнаруженных экспериментально эффектов в ограничительных диодах с учетом разогрева носителей заряда, детекторного эффекта и зависимости импеданса диода от уровня мощности был проведен в работах [206 - 208]. Такой подход к описанию взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми приборами позволил описать так же возможность возникновения на вольт-ампериых характеристиках диодов с р - п - переходом при воздействии на них высокого уровня СВЧ мощности N - и S - образных участков, которые были обнаружены и экспериментально [209].
Учет разогрева носителей заряда при воздействии СВЧ мощности повышенного уровня позволил описать эффект гашения колебаний в СВЧ генераторе на туннельном диоде, который обусловлен снятием вырождения и исчезновением падающего участка на вольт-амперной характеристике туннельного диода, а
10
также возможность возникновения дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках нескольких последовательно соединенных туннельных диодов [101, 210 - 213].
Следует отметить, что такие исследования были проведены для диодных структур, содержащих контакт полупроводников с различным типом проводимости. Результаты воздействия СВЧ излучения высокого уровня мощности на диодные структуры с барьером Шоттки проанализированы не были. Кроме того, не исследовано влияние внешнего СВЧ сигнала на полупроводниковые диоды, например туннельные, в случае, когда рабочая точка находится на начальном линейном участке их вольт-амперной характеристики, возможность возникновения в этом случае участка отрицательного сопротивления на стационарной вольт-амперной характеристике и стимулированной внешним СВЧ излучением генерации колебаний.
Известно, что твердотельные СВЧ генераторы на диодах Ганна способны демонстрировать широкий диапазон колебательных режимов: от периодических и сложнопериодических до квазипериодических и хаотических [7, 19, 23-25, 33, 35, 36, 45, 214 - 220], что обусловлено существенно нелинейным характером импеданса диода Ганна. Особенно ярко нелинейные свойства СВЧ устройств на основе диода Ганна проявляются при воздействии на него внешнего сигнала. В частности, при воздействии на диод Ганна, работающий в режиме усиления, внешнего СВЧ сигнала, начиная с некоторого уровня мощности, на выходе возникают субгармонические составляющие ^/72, //4, /78 и шумовая генерация, где / - частота входного сигнала. При этом наблюдается скачкообразное изменение продетектированное диодом Ганна напряжения. Если кроме основного сигнала на диод Г анна действует еще один внешний сигнал, то наблюдается его влияние на уровень пороговой мощности основного сигнала, при котором происходит возникновение субгармонических составляющих. Особенно сильно это влияние в случае, когда частота дополнительного сигнала близка к //4. Наряду с уменьшением пороговой мощности воздействие дополнительного сигнала приводит к увеличению амплитуд субгармонических составляющих [221].
В полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением, в том числе и диодах Ганна, при изменении уровня воздействующей на них СВЧ мощности наблюдается эффект детектирования, проявляющийся в возникновении дополнительной постоянной или переменной составляющей тока в цепи питания прибора. Отдельные аспекты проявления этого эффекта в генераторах и усилителях на диодах Г анна, лавинно-пролетных и туннельных диодах, биполярных и полевых транзисторах и вопросы его практического использования обсуждались в работах [222 - 235].
Одной из особенностей работы СВЧ генераторов на диодах Г анна является возбуждение в цепи питания низкочастотных колебаний, обусловленных су-
11
шествованием у этих диодов отрицательного дифференциального сопротивления в широком диапазоне частот [236 - 241]. На практике, в большинстве случаев, возможность возникновения низкочастотных колебаний в СВЧ генераторах предотвращается [238, 239]. В то же время, существуют работы, в которых показана возможность использования таких низкочастотных колебания для амплитудной и частотной модуляции выходного сигнала [241], например, для проведения двухпараметровых измерений с помощью автодинных устройств [234]. Кроме того, может наблюдаться сложный динамический режим многочастотной генерации, отличающийся тем, что спектральные компоненты в рабочей полосе частот волноводной линии передачи (8-12 ГГц) не связаны целочисленными соотношениями между собой [242].
Если диод 1 анна работает в режиме генерации, то при воздействии на него внешнего СВЧ сигнала реализуется его работа в режиме синхронизации [28, 47, 243-247]. Такой режим наблюдался для частот близких к частоте собственной генерации, близких к субгармоникам собственной частоты [248-251] или к частоте бокового лепестка [252]. Особенности работы СВЧ генераторов в режиме синхронизации были использованы для создания на их основе методов измерения импеданса диодов Ганна [253].
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных исследованиям особенностей конструкций, режимов работы и перспектив развития СВЧ генераторов на диодах Г анна, отдельные аспекты их работы в литературе практически не отражены, например, за исключением отдельных публикаций [139], не представлены результаты исследований работы генератора в условиях возбуждения в электродинамической системе высших типов колебаний. Не исследованы случаи воздействия внешнего сигнала различной частоты на СВЧ генератор на диоде Г анна, работающий в многочастотном режиме, возможности изменения нелинейной составляющей импеданса диода, нет сведений об использовании низкочастотной огибающей СВЧ сигнала в качестве входного сигнала цепи обратной связи.
При моделировании электродинамических систем, в которых размещены полупроводниковые структуры, в том числе диодные или транзисторные, ситуация значительно усложняется тем, что, помимо распределения поля в электродинамической системе с учетом держателей полупроводниковых структур [254 -267], необходимо еще учитывать распределение зарядов и процессы их переноса в полупроводнике. В этом случае традиционно использовались значительные упрощения эквивалентного представления либо электродинамической системы, либо полупроводниковой структуры. Результаты исследований, в которых учтены особенности, как электродинамической системы, так и полупроводниковой структуры, сравнительно мало представлены в научной литературе.
12
Сложность теоретического описания подобных устройств обусловлена еще тем, что на импеданс диодов Ганна значительное влияние оказывают режим питания, тип электродинамической системы, в которую помещен диод, типы волн, возбуждающихся в электродинамической системе, конструктивное исполнение элементов генератора и другие факторы [268, 269].
В большинстве случаев при теоретическом анализе твердотельные генераторы представляют в виде эквивалентной схемы, математической моделью которой является системы нелинейных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями [4, 8, 9, 15, 19, 23 - 25, 28, 29, 36, 40, 45, 47, 101, 220, 240, 242, 245, 252, 253]. Поэтому принципиальную роль для теории играет правильный выбор эквивалентной схемы генератора, её математическое описание и экспериментальный контроль результатов. Другой особенностью изучения СВЧ генераторов на диодах Ганна является трудность, а часто и невозможность, визуализации в эксперименте сложных режимов работы осциллографическими методами, что вынуждает судить о характере колебаний косвенно по вид}' спектра мощности и огибающей выходного сигнала. Численный анализ при правильном выборе математической модели позволяет наглядно и детально исследовать сложные процессы, возникающие в электродинамической системе, включающей в себя полупроводниковую структуру.
Сложность моделирования процессов в СВЧ генераторах на диодах Ганна приводит к использованию для их описания упрощенных моделей, в которых, в зависимости от поставленной цели, значительно упрощается представление либо электродинамической системы, либо диода Ганна. В этих случаях электродинамическая система представлялась в виде последовательного или параллельного колебательного контура, а диод Г анна - в виде отрицательного сопротивления, причем его импеданс определялся через эмпирически описываемую вольт-амперную характеристику [3, 15, 23, 28, 36, 47, 218, 245, 270]. Работ, в которых проведен теоретический анализ для моделей, учитывающих сложную структуру диода и электродинамической системы, представлено очень мало, в частности, в работах [220, 235. 271, 272] представлены результаты компьютерного моделирования работы СВЧ генераторов на диодах Г анна с учетом дополнительного низкочастотного контура, температуры, работающих в режиме многочастотной или хаотической генерации. Поэтому, несомненно, интересно развитие представлений о работе СВЧ генератора на диоде Ганна на основе эквивалентных схем, учитывающих большинство особенностей конструкции электродинамической системы и диода.
При описании работы твердотельных устройств в ряде случаев используется предположение о мгновенном отклике полупроводникового прибора на внешнее электрическое или магнитное воздействие. Такой подход не позволяет описать и прогнозировать новые физические явления и закономерности, обу-
13
словленные инерционностью полупроводниковых приборов. Причем, если инерционные свойства самих переключательных диодов исследованы достаточно полно [4, 5, 8, 30, 34, 38, 48, 51, 204, 205], то вопросы влияния на характер работы внешней схемы управления исследованы не были. Кроме того, при реализации цепей обратной связи, включающих в себя полупроводниковые приборы, в радиотехнических устройствах возможна реализация нелинейной инерционности, существование которой может приводить к возникновению сложных динамических режимов работы [63]. Следует отметить, что в литературе не приведено никаких данных об использовании магниточувствительных полупроводниковых приборов, например магнитодиодов, для создания генераторов с инерционной нелинейностью, носящей индуктивный характер.
Анализ исследовании, посвященных особенностям распространения волн и колебаний в электродинамических системах, содержащих полупроводники, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве работ многие авторы ограничивались рассмотрением случаев одномодового распространения волны, а при учете возможности возбуждения волн высших типов только случаем частичного заполнения волновода по одной из его стенок, в литературе отсутствует представления о процессе трансформации распределения суммарного поля при возбуждении волн высших типов, недостаточно исследованы случаи распространения волны в полупроводниковых волноводах с регулируемой проводимостью, исследованы особенности распространения волны, связанные с возбуждением волн высших типов только для системы стержень с зазором - короткозамыкающий поршень.
При рассмотрении нелинейных явлений в твердотельных СВЧ устройствах во многих работах не учитывалась возможность изменения используемых стационарных или малосигнальных характеристик полупроводниковых приборов в зависимости от режима их работы, уровня воздействующего СВЧ сигнала. Авторы во многих случаях ограничивались при теоретических и экспериментальных исследованиях одночастотными режимами работы СВЧ генераторов. Кроме того, при теоретическом описании процессов, происходящих в таких генераторах, использовались упрощенные представления либо электродинамической системы, либо самого полупроводникового элемента.
В связи с этим является актуальным проведение целенаправленного комплекса экспериментальных и теоретических исследовании особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах с полупроводниками, обусловленных многомодовым или многочастотным режимом работы, нелинейными свойствами материалов и структур и изменением проводимости полупроводника под влиянием внешних воздействий.
Проведение целенаправленного комплекса таких исследований может позволить обнаружить новые физические явления в полупроводниковых приборах,
14
создать на их основе новые типы твердотельных СВЧ устройств, а также улучшить характеристики устройств, уже получивших широкое распространение в различных областях техники СВЧ, и тем самым еще больше расширить области их применения.
Цель диссертационной работы состоит в
установлении новых физических закономерностей в результате проведение экспериментальных и теоретических исследований особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах с полупроводниками и полупроводниковыми структурами, обусловленных многомодовым или многочастотным режимом работы, нелинейными свойствами материалов и структур и изменением проводимости полупроводника под влиянием внешних воздействий, разработка и создание на их основе новых типов радиофизических и радиотехнических устройств.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
1. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик распространения электромагнитной волны в волноводе, содержащем полупроводник, в условиях возбуждения в нем волн высших типов.
2. Экспериментальное и теоретическое исследование характеристик распространения волны в полупроводниковых волноводах с регулируемой проводимостью.
3. Экспериментальное и теоретическое исследование нелинейных явлений в СВЧ генераторах на диодах Ганна, работающих в режиме многочастотной генерации, при воздействии на низ внешнего СВЧ сигнала.
4. Экспериментальное и теоретическое исследование изменения стационарных характеристик полупроводниковых диодов и возможности стимуляции колебаний в схемах на их основе при воздействии на них СВЧ излучения.
5. Экспериментальное исследование сложных динамических, в том числе хаотических, режимов работы в генераторных схемах, содержащих диоды Ганна и полупроводниковые мапгиточувствительные элементы.
Научная новизна
1. Впервые проведен целенаправленный комплекс экспериментальных и теоретических исследовании ряда новых особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах с полупроводниками, обусловленных многомодовым или многочастотным режимом работы, нелинейными свойствами
15
материалов и структур и изменением проводимости полупроводника под влиянием внешних воздействий.
2. Установлено экспериментально и подтверждено теоретически, что в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, в зависимостях затухания от его размеров и положения наблюдаются максимумы, причина возникновения которых связана с возбуждением в волноводе волн высших типов.
3. Впервые обнаружено, что распределение поля по поперечному сечению в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, может иметь вид качественно отличный от характерного для волны #ю> даже когда постоянная затухания волн высших типов меньше постоянной затухания волны Ню- В этом случае характер распределения поля по поперечному сечению последовательно видоизменяется по мере удаления от передней границы образца от вида, характерного для волны #ю, к конфигурации, типичной для суперпозиции основного типа волны сначала с волной #20, затем с волнами более высших типов, а после удаления на расстояние порядка длины волны в волноводе, опять к виду, характерному для волны
Н\ о.
4. Показано, что в электродинамической системе с полупроводником в условиях максимального влияния возбуждающихся волн высших типов на характер распределения поля затухание распространяющейся волны существенно зависит от уровня мощности падающего излучения.
5. Обнаружено резонансное затухание, обусловленное возбуждением в волноводе волн высших типов, в системе диафрагма - короткозамыкающий поршень при расстояниях между ними, на порядок меньших длины волны в волноводе. Частота резонанса при увеличении расстояния между диафрагмой и поршнем, в отличие от резонанса на основном типе волны, увеличивается.
6. Установлено, что ослабление волны, распространяющейся в полупроводниковом волноводе, содержащем р - і - п- диод, в основном определяется излучением энергии в окружающее пространство с поверхности полупроводникового волновода в месте включения р - і - п - диода. Угол, под которым энергия излучается в просгранство, зависит от частоты СВЧ сигнала и тока через р-і - п- диод.
7. Впервые экспериментально обнаружено и теоретически объяснено, что в СВЧ генераторе на диоде Ганна при работе его в многочастотном режиме воздействие внешнего СВЧ сигнала близкой частоты приводит к синхронизации мод.
16
8. Выявлено, что нелинейная составляющая импеданса диода Ганна в зависимости от режима работы СВЧ генератора на его основе может принимать как емкостной, так и индуктивный характер.
9. Обнаружено экспериментально и теоретически, что под воздействием внешнего СВЧ сигнала в туннельных диодах при подаче на них напряжения смещения, меньшего пикового значения, могут возникать режимы отрицательного дифференциального сопротивления и переключения, а в генераторной схеме, в которой диод помещен, возбуждаться колебания, частота и амплитуда которых существенно зависят от уровня СВЧ мощности.
10. Установлено что, вольт-амперная характеристика детекторного диода с барьером Шоттки под воздействие высокого уровня СВЧ мощности становится практически линейной, а механизм детектирования при этом определяется термоЭДС горячих носителей заряда.
11. Обнаружено, что в СВЧ генераторе на диоде Ганна, работающем в многочастотном режиме, при использовании в качестве сигнала обратной связи низкочастотной огибающей выходного СВЧ сигнала может наблюдаться уширение спектральной линии основной частоты генерации обусловленное возбуждением хаотических колебаний в цепи обратной связи.
12. Экспериментально обнаружено и теоретически объяснено явление искажения формы СВЧ импульса в коммутирующих устройствах на р - г - п - диодах, определяющееся инерционностью переключения диодов, связанных с паразитными внешними ЯС - цепями.
13. Впервые показана возможность создания генераторных схебм на магнито-диодах с экспоненциальной вольтамперной характеристикой при использовании в цепях обратной связи управляемых источников магнитного поля.
Достоверность результатов диссертации
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается:
• строгостью используемых математических моделей;
• корректностью упрощающих допущений;
• сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям;
• выполнимостью предельных переходов к известным решениям;
• соответствием результатов расчета эксперименту.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена:
• применением современной стандартной измерительной аппаратуры;
17
• метрологической поверкой измерительного оборудования и методик измерения;
• обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ;
• воспроизводимостью полученных результатов.
Практическая значимость работы
На основе исследований характеристик распространения волны в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, определены условия согласования металлических и полупроводниковых волноводов.
Показана возможность создания эффективных коммутирующих устройств на основе полупроводниковых волноводов с регулируемой проводимостью. Возможность возникновения стимулированной внешним СВЧ излучением генерации в туннельных диодах открывает перспективы создания новых типов генераторных устройств.
Установлена возможность эффективной управляемой модуляции выходного сигнала СВЧ генератора на диоде Ганяа, работающего в режиме синхронизации или биений.
Предложен метод расчета коэффициента, определяющего нелинейность реактивной проводимости активных элементов СВЧ автогенераторов. Разработан резонаторный метод измерения подвижности полупроводниковых материалов и структур на основе эффекта магнитосопротивления и оценена погрешность аналогичного волноводного метода, определяемая возбуждением волн высших типов.
На основе результатов исследования радиотехнических схем с магниточувствительными полупроводниковыми элементами разработан измеритель индукции постоянного магнитного поля.
Результаты проведенных исследований легли в основу разработанных новых устройств различного назначения [273 - 286].
Основные положения, выносимые на защиту
1. В волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, в зависимости от его положения и размеров возникают максимумы поглощения, обусловленные возбуждением волн высших типов. При
18
этом коэффициент поглощения существенно зависит от уровня СВЧ мощности, в отличие от случая одномодового распространения волны в таком волноводе.
2. Распределение поля по поперечному сечению в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, может иметь вид качественно отличный от характерного для волны #ю, даже когда постоянная затухания волн высших типов меньше постоянной затухания волны #ю. В этом случае характер распределения поля по поперечному сечению последовательно видоизменяется по мере удаления от передней границы образца от вида, характерного для волны #ю, к конфигурации, типичной для суперпозиции основного типа волны сначала с волной #20, затем с волнами более высших типов, а после удаления на расстояние порядка длины волны в волноводе, опять к виду, характерному для волны Ню.
3. В системе диафрагма - короткозамыкаюший поршень при расстояниях между ними, на порядок меньших длины волны в волноводе, наблюдается резонансное затухание СВЧ мощности, обусловленное возбуждением в волноводе волн высших типов. Частота резонанса при увеличении расстояния между диафрагмой и поршнем, в отличие от резонанса на основном типе волны, увеличивается.
4. Ослабление волны, распространяющейся в полупроводниковом волноводе, содержащем р - / - п - диод, в основном определяется излучением энергии в окружающее пространство с поверхности полупроводникового волновода в месте включения р - і - п - диода. Угол, под которым энергия излучается в пространство, зависит от частоты СВЧ сигнала и тока через р- і - п- диод.
5. В СВЧ генераторе на диоде Ганна, работающем в многомодовом режиме, при воздействии внешнего СВЧ сигнала близкой частоты может наблюдаться синхронизация мод.
6. Нелинейная составляющая импеданса диода Ганна в зависимости от режима работы СВЧ генератора на его основе может принимать как емкостной, так и индуктивный характер.
7. Под воздействием внешнего СВЧ сигнала в туннельных диодах при подаче на них напряжения смещения, меньшего пикового значения, могут возникать режимы отрицательного дифференциального сопротивления и переключения, а в генераторной схеме - возбуждаться колебания, частота и амплитуда которых существенно зависят от уровня СВЧ мощности.
8. Вольт-ампсрная характеристика детекторного диода с барьером Шоттки под воздействие высокого уровня СВЧ мощности становится практически линейной, а механизм детектирования при этом определяется термоЭДС горячих носителей заряда.
19
Настоящая диссертация выполнена на кафедре физики твердого гела Саратовского государственного университета в НИИ механики и физики при СГУ. Она является обобщением работ автора, выполненных в период с 1980 по 1999 год по одной из актуальных проблем радиофизики и физики полупроводников, заключающейся в экспериментальном и теоретическом исследовании особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах, содержащих полупроводниковые структуры.
Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по исследованию особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах, содержащих полупроводниковые структуры, обусловленных многомодовым или многочастотным режимом работы, нелинейными свойствами материалов и структур и изменением проводимости полупроводника под влиянием внешних воздействий.
В результате решения этой научной проблемы установлены ’.
• новые физические закономерности в модуляционных характеристиках полупроводниковых приборов СВЧ;
• новые физические явления, наблюдающиеся в этих приборах при воздействии электромагнитного излучения оптического и СВЧ диапазонов, постоянных электрических и магнитных полей;
разработаны и созданы
• новые типы твердотельных устройств, обладающие улучшенными характеристиками, по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имеет важное народнохозяйственное значение.
Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с:
• координационным планом НИР АН СССР на 1981 - 1985 годы по проблеме "Физическая электроника" раздел 1.5.2.8 "Поиск новых физических принципов создания твердотельных приборов и устройств СВЧ, в особенности мм и субмм диапазонов";
• координационными планами НИР АН СССР на 1986 - 1990 годы по проблеме "Физическая электроника" раздел 1.5.4.3 "Приборы и устройства
20
СВЧ диапазона ira твердотельных элементах", по направлению "Физика твердого тела", раздел 1.3.10.4 "Радиоволновые методы";
• координационным планом НИР высших учебных заведений системы Минвуза СССР в области физики полупроводников на 1986 - 1990 годы раздел 1.8 "Исследование эффектов детектирования в полупроводниковых СВЧ диодах и транзисторах, работающих в режиме усиления или генерации";
• комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР "Датчик" на 1986 - 1990 годы по теме 2.1.10 "Исследование эффектов автодинного детектирования в твердотельных СВЧ генераторах и создание на этой основе датчиков для неразрушающего контроля полупроводниковых и диэлектрических материалов";
• Межвузовской программой НИР на 1986 - 1990 годы "Научное приборостроение" раздел 16 "Приборы лабораторной техники";
• НИР "Параметр", № гос. регистрации 0184083120, проведенной согласно постановлению ГКНТ СССР и включенной в народно-хозяйствешплй план социального и экономического развития РСФСР на 1985 год;
• грантом Государственного комитета РФ по высшему образованию 1992 -1993 годов (ЛГУ)
• грантом Государственного комитета РФ по высшему образованию 1994 -1995 годов (МИЭТ ТУ)
• грантом Государственного комитета РФ по высшему образованию 1996 -1997 годов (МИЭТ ТУ)
Результаты диссертационной работы использованы в ЦНИИИА и в СГУ в учебном процессе.
Отдельные результаты диссертационной работы вошли составной частью в работу, отмечсш!ую дипломом Всесоюзного конкурса НТО РЭС им. A.C.Попова на лучшую разработку новых изделий микроэлектроники за 1984 год.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на:
• IX Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике в Казани в 1980 году;
• VII отраслевой научно-технической конференции молодых специалистов в Саратове в 1981 году;
21
• Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" в Новгороде в 1982 году;
• X Всесоюзной научной конференции "Электроника СВЧ" в Минске в 1983 году;
• Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" в Саратове в 1983 году;
• Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" в Ленинграде в 1984 году;
• Всесоюзном семинаре "Решение внутренних краевых задач электродинамики" в Ростове-на-Доиу в 1984 году;
• Всесоюзном совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" в Саратове в 1985 году;
• Всесоюзной научно-технической конференции по неразрушающему контролю в Одессе в 1985 году;
• Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" в Красноярске в 1988 году;
• отраслевом научно-техническом совещании "Методы и аппаратура для измерения параметров полупроводников и диэлектриков" в Саратове в 1988 году;
• Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" в Тбилиси в 1988 году;
• Межведомственной научно-технической конференции "Приборы, техника и распространение мм и субмм волн" в Харькове в 1992 году;
• Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика- 95" в Зеленограде в 1995 году;
• Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП - 96 в Саратове в 1996 году;
• II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика - 97" в Зеленограде в 1997 году;
• IX Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" в Самаре в 1997 году;
• Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП - 98 в Саратове в 1998 году;
• V общероссийской конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" ПЭМ-98 в Дивноморском в 1998 году;
22
• VI международной научно-технической конференции "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" в Самаре в 1999 году.
• а также на объединенном научном семинаре кафедр физики твердого тела, физики полупроводников, радиофизики и нелинейной динамики, электроники, колебаний и волновых процессов Саратовского госуниверситета
Публикации
По материалам диссертации опубликовано:
• 47 научных работ [273 - 319], в том числе
• 25 статей,
• 4 авторских свидетельства и 1 патент, которыми защищены предложенные новые способы и устройства.
Результаты диссертации использованы в учебном пособии [320], рекомендованном к изданию Министерства общего и профессионального образования РФ.
Материалы диссертации использованы в разделах, посвящетшх работе твердотельных устройств, в курсе "Твердотельная электроника", разработанном курсе "Измерение параметров полупроводников на СВЧ" и практикуме на его основе, а также при постановке лабораторной работы "Переходные процессы в Р-1-Ы - диодных СВЧ устройствах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 250 страницах, содержит 82 рисунка, список литературы состоит из 358 наименований.
Автором диссертации производилась постановка задач, выбор методов их решения, разработка алгоритмов и программ численных расчетов, обоснование и разработка математических моделей, разработка методик, подготовка и проведение эксперимента, анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Научный консультант диссертационной работы — академик МАН ВШ, заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Дмитрий Александрович У санов.
23
Краткое содержание работы
Введение
> Обоснована актуальность темы диссертации.
> Содержится критический обзор современного состояния проблемы.
> Сформулирована цель работы.
> Содержится общая характеристика работы, включающая
• научную новизну,
• практическую значимость работы,
• основные положения, выносимые на защиту.
> Кратко изложено содержание работы.
Глава 1
> Теоретически и экспериментально исследованы особенности распростране-нт электромагнитной волны в волноводе, содержащем продольно расположенный полупроводниковый стержень, от его положения, размеров и уровня падающей мощности.
> Приведены результаты экспериментального исследования резонансных особенностей, обусловленных возбуждением волн высших типов, при отражении волны от системы диафрагма - короткозамыкающий поршень, при расстояниях между ними на порядок меньших длины волны в волноводе.
> Исследовано влияния высших типов волн на погрешность измерения параметров многослойных эпитаксиальных структур методом магнитосопро-тивления.
Глава 2
> Экспериментально и теоретически исследовано распространение электромагнитной волны в полупроводниковых волноводах с изменяемой под действием оптического излучения проводимостью.
> Исследованы особенности распространения электромагнитной волны при изменении проводимости полупроводникового волновода инжекцией через р - п- переход.
Глава 3
> Приведены результаты исследования модуляции выходного сигнала СВЧ генератора на диоде Ганна воздействием на него внешнего СВЧ сигнала,