Введение к работе
Обнаружение линий испускания молекул СО и CN на частотах 113 и 113,5 ГГц, положило начало радиоастрономии миллиметровых волн. К настоящему времени в миллиметровом диапазоне волн (\==3мм -300 мкм) существует ряд высокочувствительных приемников, основанных на разных физических явлениях. В данном диапазоне длин волн используются приемники со смесительными элементами на диодах с барьером Шоттки СДБШ) [1), сверхпроводящими элементами со структурой сверхпроводник-иэолятор-сверхпроводник (СИС) C1J, смесители на эффекте Джоэефсона С 1,21 и полупроводниковый смеситель на основе антимонида индия n-типа (n-InSb) [3,4,5).
Впервые преобразование частоты в n-InSb смесителе было осуществлено в середине 60-х годов (31 в диапазоне Х.^8 мм. К настоящему времени известно около десятка работ, посвященных как исследованию n-InSb смесителя, так и созданию радиоастрономических приборов на его основе. Такой интерес к n-InSb смесителю связан с тем, что на частотах свыше 150 ГГц он обладает самыми низкими шумовыми температурами Т (П. Последние как бы "компенсируют" такие недостатки его как довольно узкую полосу промежуточных частот С =:1-2 МГц) и необходимость охлаждения до гелиевых температур. При мощности гетеродина «10~вВт шумовая температура приемника составляет от 150 К на 115 ГГц до 350 К на 500 ГГц Ц]. К этой характеристике n-InSb смесителя необходимо добавить, что он представляет сравннительно простоя монокристаллический элемент, являющийся механически прочным устройством не подверженным выгоранию, имеет хороший динамический диапазон и легко согласуется в широкой полосе частот.
Относительно механизма преобразования сигнала в n-InSb смесителе в [3,4,51 предполагается, что он "раэогревный"*. в предельно очищенном и компенсированнм n-InSb при гелиевых температурах электроны свободны и слабо взаимодействуют с кристаллической решеткой, приложение СВЧ-мощности (также, как и постоянный ток) приводит к разогреву электронного газа, вследствие чего в условиях рассеяния на ионизованных примесях возрастает их подвижность jj. Разогревная модель не только не может обменить ряд особенностей работы смесителя, в частности
-г -
уменьшение в магнитном поле потерь преобразования L или зависимость коэффициента преобразования от таких параметров материала как концентрация доноров Н и компенсация K=N /П.. но и находится в прямом противоречии с результатами исследования фотопроводимости СФП), поглощения ультразвука и СВЧ-мощности в n-InSb с К ^ 0,8 Сем.обзор [61 и ссылки там). Из [6] следует, что в предельно очищенном n-InSb при К > 0,8 электроны локализованы на дснорных парах типа иона молекулы водорода Н*, а фотопроводимость носит прыжковый характер СПФП). Существование примесных пар следует также из характера поглощения ультразвука. Таким образом, возникло явное противоречие между результатами комплексного исследования примесной проводимости и примесных состояния в компенсированном n-InSb и раэогревной моделью преобразования частоты в смесителях из этого материала.
Целью работы являлось выяснение механизма преобразования сигнала в n-InSb смесителе, и на основе его ,- определение характеристик смесителя, расчет потерь преобразования смесителя и сопоставление с экспериментом, выяснение условий оптимизации смесителя в зависимости от температуры, напряженности магнитного поля и параметров материала.
В работе проведены комплексные измерения n-InSb-смесителя, включавшие следующие методы исследования:
изучение коэффициента преобразования смесителя в зависимости от температуры, напряженности магнитного СН) и электрического СЕ) полей, мощности гетеродина и параметров материала CN , К);
измерение шумовой температуры смесителя;
- изучение высокочастотной проводимости n-InSb в диапазоне
0.5-Ю МГц;
- исследование равновесней проводимости и влияния на нее Е,Н и К
Научная новизна работы состоит в следующем:
механизм преобразования частоты в n-InSb с Nd-N«<3.10' *си"' при TS4.2 К - фотоиониэационный, причем фотопроводимость осуществляется по примесному уровню протекания;
введение магнитного поля СН^5 кЭ) не «вменяет ни заселенности примесных состояний, ни концентрации электронов на примесном уровне протекания, уменьшая лишь подвижность последних;
возрастание коэффициенте преобразования смесителя в магнитном
поле и с понижением температуры определяется уменьшением темновой Сравновесной) проводимости, возможностью увеличения смещения на образце и мощности гетеродина;
экспериментально определена характерная фононная частота и для n-InSb, существенно отличающаяся от приводимых в литературе значений;
по величине v . рассчитана подвижность по примесному уровне протекания и коэффициент преобразования L, хорошо совпадающие с экспериментом.
Эти положения выносятся на защиту.
Практическая значимость работы заключается в том, что
- показаны границы применимости С по N - Na и Т) разогревной
модели работы смесителя;
на основании модели прыжковой фотопроводимости рассчитан коэффициент преобразования смесителя в зависимости от параметров n-InSb и внешних условий (напряженности магнитного и электрического полей, мощности гетеродина, температуры);
для каждого диапазона длин еолн найден оптимальный по параметрам (Nd - N ) материал и определена максимальная рабочая температура;
- создан смеситель на Х=2,6 мм с потерями преобразования L* 7 дБ
и Тш<140 К при Т=1,6 К и Н=4 кЭ.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на:
- республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в
полупроводниках" (Ужгород, 1979)
VU1 Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1989)
ХП Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990), а также на семинарах в ФИАН им. Лебедева и во ФТИ им.А. Ф. Иоффе РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит всего 156 стр. текста, из них 56 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 66 наименований
