Содержание .
Введение..............................................................4
Глава 1. Анализ современного состояния исследований полупроводниковых СВЧ-устройств на основе резонансных систем «штырь с зазором -короткозамыкатель»....................................................13
1.1. Влияние постоянного магнитного поля на характеристики полупроводниковых СВЧ-генераторов.....................................13
1.2. Электрическая перестройка резонансных характеристик систем типа «штырь с зазором - короткозамыкатель» полупроводниковым диодом 16
1.3. Ближнеполевая С-ВЧ-микроскопия...................................17
1.4. Исследования полупроводниковых низкоразмерных СВЧ-систем 26
Глава 2. Исследование влияния стационарного магнитного поля на характеристики систем типа «штырь с зазором - близко расположенный короткозамыкатель»....................................................30
2.1. Низкоразмерный СВЧ-генератор на диоде Ганца с магнитной перестройкой..........................................................30
2.2. Управляемые магнитным полем резонансы в системе «штырь с
зазором - близко расположенный короткозамыкатель».....................40
Глава 3. Резонансные системы с повышенной кривизной частотных характеристик и их применение.........................................61
3.1. Резонансы в низкоразмерных электродинамических системах типа: «емкостная диафрагма - короткозамыкатель с выемкой» и «штырь с зазором - короткозамыкатель с выемкой»........................................51
3.2. Резонаторы с повышенной кривизной частотных характеристик на основе систем «штырь с зазором - короткозамыкатель с выемкой».........59
3.3. Подавление шумов лавинно-пролетного днода в низкоразмерной резонансной системе «металлический штырь — близко расположенный
короткозам ы кател ь».................................................67
3.4 Низкоразмерный резонатор с повышенной кривизной частотных характеристик и электрической перестройкой по частоте.................73
3.5. Ближнеполевой СВЧ-микроскон на основе низкоразмерного
резонатора...........................................................80
Глава 4. Теоретическое описание низкоразмерных электродинамических систем «емкостная диафрагма - близкорасположенный короткозамьїкаюіций поршень»............................................................ 86
4.1. Расчет характеристик резонансных систем «емкостная диафрагма -короткозамыкающий поршень» в многомодовом приближении.................86
4.2. Отражение СВЧ-излучения от низкоразмерною резонатора «емкостная диафрагма - короткозамыкающий поршень»................................90
4.3. Результаты расчетов и измерений и их анализ......................91
Заключение...........................................................97
Список литературы.....................................................98
Приложение 1. Расчет интегралов и иных компонентов, необходимых для
построения алгоритма.................................................110
Приложение 2. Алгоритм расчета коэффициента отражения для систем типа «емкостная диафрагма - короткозамыкающий поршень»....................115
Введение
Актуальность
Область применения твердотельных СВЧ-устройств может быть существенно расширена при решении проблемы эффективного управления их частотными и амплитудными характеристиками. Возможность управления частотой полупроводниковых генераторов введением в них электрически управляемой полупроводниковой емкости хорошо изучена [1,
2]. Сравнительно хорошо изучена также возможность магнитной перестройки частоты СВЧ-генераторов введением в их схему ферритового элемента. Однако такого рода устройства обладают невысокой кривизной частотных характеристик в окрестности резонанса [3-5] и, в этой связи, малочувствительны к внешним воздействиям. Для повышения эффективности работы полупроводниковых СВЧ управляющих и измерительных устройств необходимо повышать кривизну частотных характеристик данных систем.
Возможности совершенствования параметров полупроводниковых СВЧ-устройств могут быть связаны как с изучением физических особенностей работы полупроводниковых структур в условиях воздействия СВЧ-излучения с целью их использования для повышения кривизны частотных характеристик СВЧ-устройств, так и с исследованием специфики взаимодействия СВЧ-колебаний и волн, связанной с электродинамическими системами, являющимися составными частями этих устройств. Отметим, что для теоретического моделирования ситуаций, характерных для указанных выше задач, необходимо решать сложную систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы, протекающие в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, совместно с не менее сложной задачей по нахождению распределения поля в электродинамической системе, включающей в себя эти элементы. Решение этой задачи связано с достаточно высокими трудностями. Поэтому в большинстве случаев пользуются теми или иными упрощающими
5
предположениями [3, 4, 6-19], к которым можно отнести использование при описании эквивалентной схемы полупроводникового элемента так называемого малосигнального, а при описании электродинамических систем — одномодового приближения.
Анализ исследований, посвященных особенностям волновых процессов в электродинамических системах, содержащих полупроводники, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве работ авторы ограничивались рассмотрением случаев одномодового распространения волны.
В то же время в работах [20-26], отмечалось, что вопреки предсказываемому в результате использования одномодовых представлений характеру взаимодействия СВЧ-излучения с полупроводниковыми структурами, могут наблюдаться качественно иные закономерности, связанные с существованием ближнего поля, обусловленного возбуждением волн высших типов.
Возбуждение волн высших типов в электродинамических системах, содержащих полупроводник, приводит к новым явлениям, описание которых с точки зрения "одномодовой" теории невозможно. В частности, в работах [3-5] показано, что возбуждением волн высших типов обусловлены эффекты смещения СВЧ-поля при воздействии внешнего постоянного магнитного поля на полупроводниковую пластину, расположенную в волноводе, и эффект невзаимного распространения волны в таком волноводе.
Немонотонный характер зависимости затухания в волноводе от положения, размеров и проводимости размещенного в нем полупроводникового образца, не характерный для одномодового режима распространения волны, объясняется в работах [22-24] тем, что при определенных условиях один из возбужденных высших типов волн распространяется с меньшим затуханием, чем волна основного типа.
Отметим, что в известной литературе исследованию возможности управления характеристиками систем, в которых существенную роль играют
эффекты, связанные с существованием ближнего поля, электрическим или магнитным полем уделялось недостаточное внимание.
В литературе, посвященной многомодовому взаимодействию поля с неоднородностью, недостаточно развиты представления о процессе трансформации распределения суммарного поля при возбуждении волн высших типов, недостаточно исследованы случаи взаимодействия ближнего поля с полупроводниковыми структурами с регулируемой проводимостью, исследованы далеко не все особенности, связанные с возбуждением волн высших типов.
В тех немногочисленных работах, в которых рассматриваются ситуации, когда существенен учёт эффектов, связанных с ближним полем в системах, включающих полупроводниковые элементы, осталась не рассмотренной исчерпывающим образом возможность управления характеристиками таких систем, в частности, с помощью электрических и магнитных полей. В частности, не рассмотрены возможности повышения их чувствительности к внешним воздействиям при повышении кривизны частотных характеристик электродинамической системы.
К настоящему времени существует довольно большое число работ, посвященных проблемам ближнеполевой СВЧ-микроскопии [27-45]. По прежнему актуальна проблема повышения чувствительности ближнеполевых СВЧ-микроскопов. К числу нерешенных задач в этой области можно отнести, например, определение предела разрешающей способности, выяснение механизмов взаимодействия микрообъектов с ближним полем, влияния случайных возмущений на результаты измерений. Также не исследованы возможности повышения кривизны частотных характеристик резонансных систем, используемых в качестве измерительных элементов ближнеполсвого микроскопа.
В связи с вышесказанным, представляет интерес развитие методов расчета ближнеполевых СВЧ-систем, в том числе систем с полупроводниковыми включениями, поиск путей улучшения характеристик
при управлении этими системами с помощью электрических и магнитных полей, возможностей повышения кривизны частотных характеристик резонаторов и использование подобных систем для измерения параметров материалов.
Цель диссертационной работы состоит в увеличении чувствительности полупроводниковых СВЧ-устройств на основе низкоразмерных резонансных систем к внешним воздействиям: влиянию постоянного магнитного поля, электрического смещения и изменению физических параметров нагрузки.
Низкоразмерными называются такие электродинамические системы, в которых длина волны основного типа в 10 и более раз превосходит, по крайней мере, один из размеров системы [46, 47].
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование характеристик низкоразмерных резонансных систем «штырь с зазором - короткозамыкатель», содержащих полупроводниковый элемент, при воздействии на полупроводниковый элемент электрического смещения или постоянного магнитного поля.
2. Разработка способа повышения кривизны частотных характеристик резонансных систем «штырь с зазором - короткозамыкатель».
3. Исследование возможности использования устройств на основе резонансных систем «штырь с зазором — короткозамыкатель с выемкой» для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
4. Разработка алгоритма расчета амплитудно-частотных характеристик низкоразмерных резонансных систем типа «емкостная диафрагма -короткозамыкатель».
Научная новизна работы
1. Показана возможность расширения полосы частотной перестройки управляющим магнитным полем СВЧ-генератора на диоде Ганна на основе системы «штырь с зазором — короткозамыкатель».
2. Установлена возможность уменьшения шумов лавинно-пролетного диода, работающего в режиме СВЧ-генерации.
3. Экспериментально обоснована возможность повышения кривизны частотных характеристик низкоразмерного резонатора на основе системы «штырь с зазором - короткозамыкатель» при использовании короткозамыкателя с выемкой цилиндрической формы.
4. Показана возможность электрической перестройки частоты резонансной системы «штырь с зазором — короткозамыкающий поршень с выемкой» при использовании в качестве управляющего элемента полупроводникового диода.
5. Показана возможность использования устройств на основе резонансной системы «штырь с зазором - короткозамыкатель с выемкой» для измерения с повышенной локальностью электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
6. Разработан алгоритм расчета коэффициента отражения и КСВН для систем типа «емкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень» в широком диапазоне значений частоты, расстояний между поршнем и диафрагмой с использованием многомодового приближения.
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается: достаточной строгостью используемых математических моделей; корректностью упрощающих допущений; сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям; выполнимостью предельных переходов к известным решениям; соответствием результатов расчета экспериментальным данным.
Достоверность -экспериментальных результатов обеспечена: применением современной стандартной измерительной аппаратуры; метрологической поверкой измерительного оборудования и методик измерения; обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ; воспроизводимостью полученных результатов.
Практическая значимость
Создан генератор на диоде Ганна, работающий в трехсантиметровом диапазоне длин волн, на основе низкоразмерной системы «штырь с зазором -короткозамыкатель», позволяющий производить перестройте}' частоты изменением величины постоянного магнитного поля на 75Мгц.
На основе низкоразмерной системы «шгырь с зазором -короткозамыкатель» реализован СВЧ-генератор на лавинно-пролетном диоде с пониженным уровнем шума.
Реализована резонансная система «штырь с зазором -короткозамыкатель с цилиндрической выемкой» с повышенной кривизной частотных характеристик с введенным в нее полупроводниковым диодом, позволяющая производить перестройку резонанса по частоте при изменении величины напряжения обратного смещения на диоде.
Разработан ближнеполевой СВЧ-микроскоп на основе низкоразмерной резонансной системы «штырь с зазором - короткозамыкатель с выемкой», предназначенный для измерения электрических характеристик
(диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
Предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать частотные характеристики низкоразмерных систем типа «емкостная диафрагма -короткозамыкающий поршень», качественно согласующиеся с экспериментом в широком диапазоне значений частоты (8-12ГГц), расстояний между поршнем и диафрагмой и другими параметрами электродинамической системы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Диапазон невзаимной магнитной перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧ-гснераторов на диодах Ганна может быть существенно расширен (более чем в 10 раз) по сравненшо с известными схемами, если в качестве резонатора использовать низкоразмерную систему «металлический штырь с зазором — близко расположенный короткозамыкатель»
- Киев+380960830922