Введение к работе
Актуальность проблемы.
К перспективным научным направлениям, лежащим на стыке современной юфиэики и физики полупроводников, можно отнести исследование физических (весов в полупроводниковых элементах, используемых для генерации СВЧ-баний, с учетом влияния на характер генерации электродинамических систем, в рых размещены полупроводниковые элементы. Область практического іенания таких генераторов могла бы быть расширена, если бы удалось понизить абильность их работы во времени. Значительный вклад в нестабильность ат тепловые процессы в полупроводниковых элементах.
Тепловые процессы в полупроводниковых приборах к настоящему времени ены недостаточно полно. Экспериментальные исследования их влияния жняются в езязи с затруднениями, возникающими при контроле температуры проводникового кристалла. Проведение теоретических исследований связано с іходимостью решения сложной системы нелинейных дифференциальных нений, описывающих колебательные процессы в полупроводниковой структуре, іестно с уравнением теплового баланса. Поэтому большинство исследователей лочитают использование упрощенных моделей генераторов и проведение отческих и экспериментальных исследований, полагал, что температура лрозодникового кристалла фиксирована.
Отказ же от упрощенных моделей полупроводниковых структур, учет влияния тродинамнчесяоЯ система и описание динамики теллогых процессов может слить сыпзить рснао неизвестные особенности в работе генграторез на оскезз * структур.
Пільго лисс^ятямиоинвй ваОотн является исследование особенностей очастотных режимов работы генераторов на диодах Генна с учетом неОности их импеданса, зффоктоа оетодиннсго дшоктироаания и разогрева диода.
Научная новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной ты, состоит в следующем:
едложена и исследована модель многоконтурного СВЧ-генератора на диоде нкэ, позволяющая оперативно исследовать особенности режимов его работы с атом тепловых процессов в полупроводниковой структуре;
описана теоретически взаимосвязь сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощностью, частотой и сигналом автодинного детектирования генераторов на их основе;
на основе численного моделирования с учетом эффекта самораэогрева полупроводникового кристалла описан режим многочастотной генерации диодов Ганна. Показано, что при малых значениях теплового сопротивления генератора на диода Ганна зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер. При больших значениях теплового сопротивления зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна монотонно убывает;
на основе численного моделирования описано влияние саморазогрева диодов Ганна на спектр выходного сигнала генераторов на их основе. Установлено, что режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может быть охарактеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой. При этом саморазогрев полупроводникового кристалла диода вызывает регуляризацию колебаний. При напряжениях питания, несколько превышающих пороговое значение, саморазогрев кристалла диода Ганна приводит к переходу от периодического к квазипериодическому колебательному процессу и его хаотизации.
Достоверность полученных теоретических результатов достигается корректностью сделанных допущений, достаточной строгостью математических моделей, сходимостью вычислительных процессоа к искомым решениям, хорошей корреляцией результатов расчета с экспериментом.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
на основе составленной модели многоконтурного СВЧ-генератора на диоде Ганна,
учитывающей как особенности физики работы диода, так и элементы его
конструкции, стало возможным исследовать влияние тепловых процессов в
полупроводниковой структуре на выходную мощность, величину
продетекгированного сигнала, частоту и спектральный состав выходного сигнала
генераторов;
показана возможность по легко измеряемому на постоянном токе сопротивлению диодов Ганна в слабых электрических полях прогнозировать выходную мощность, величину продетектированного сигнала, частоту и спектральный состав выходного сигнала СВЧ-генераторов на их основе;
показана возможность, отборая диоды Ганна по сопротивлению а слабых электрических полях и управляя теплоотводом, увеличивать или уменьшать вклад в выходной сигнал генераторов субгармонических и гармонических составляющих.
Апробация работы.
Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной боты результаты докладывались и обсуждались на Общероссийской научно-кнической конференции с международным участием 'Актуальные проблемы эрдотельнсй электроники и шяфоэлехтроннки ПЭМ-86" в 1386 году в г. Таганроге; зждународной научно-технической кснфоренцми 'Актуальные проблемы ектронного приборостроения АПЭП-86" в 1896 году в г. Саратове; Всероссийской учно-техннчесгай конференции с международным участием "Электроника и фсрматкка-97" з 1997 году в г. Зеленограде; Всероссийской межвузовской нференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ* в 1997 ЧУ, а г. Саратове; Общероссийской научно-технической конференции с ясдукародным участием "Актуальные проблемы твердотельной элэктрокики и жрсолектроннки ПЭМ-98" в 19S8 году в г. Таганроге; Международной научно-хничесгай гокференцни 'Актуяльные проблзмы электронного прибсрострогния 1ЭП-98" в 1998 году в г. Саратове; 5-й Международной школе "Хаотические токолебания и образованно структур ХАОС-98" в 1993 году в г. Саратове.
Публикации. По материалам исследований, выполненных при работе над іссертацней, опубликоэано Э статьи в центральных научно-технических журналах, тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Личяый аотая штора выразился в самостоятельном выборе математической щели, выводе расчетных соотношений, проведении теоретических расчетов, астии в формулировании научных выводов.
Структура и обтюм диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех еделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения.
Общий объем диссертации составляет 118 страниц машинописного текста, в то числе основной текст занимает 83 страницы, включая 25 рисунков. Спиа литературы содержит 133 наименования и изложен на 17 страницах.
Основные положения, выносимы* иа яешнту:
-
Максимальная длительность импульса питания, при которой обеспечиваете заданное значение нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинної детектирования генераторов на диодах Ганна, обусловленной изменение условий теплопередачи и температуры окружающей среды, увеличивается ростом электрического сопротивления полупроводниковой структуры диода.
-
Изменение сопротивления диода Ганна в слабых электрических полях за сч< изменения подвижности носителей заряда оказывает более сильное влияние и величину нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинної детектирования генераторов на их основе, чем за счет аналогичного изменен» площади сечения кристалла диода или концентрации носителей. Увеличен» площади сечения кристалла диода или концентрации носителей заряда приводі к более значительному увеличению выходной мощности генерируемо; излучения, чем аналогичное увеличение подвижности.
-
Повышение температуры кристалла диода Ганна привадит к подавлению выаш гармоник в спектре выходного сигнала. Такая зависимость мощности выаш гармоник от степени разогрева полупроводникового кристалла позволяв объяснить известный экспериментальный факт повышения "чистоты* спект' выходного сигнала генераторов на диодах Ганна после установлен» стационарного теплового режима работы.
-
При малых значениях теплового сопротивления генератора зависимое величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрнчесш сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер, а при болыш значениях теплового сопротивления монотонно убывает.
-
Наблюдающийся экспериментально в диодах Ганна режим генерации п| напряжениях питания, близких к пороговому, может быть охарактеризован к сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой, причс саморазогрев кристалла вызывает регуляризацию колебаний. С росте напряжения питания саморазогрев кристалла диода приводит к переходу і периодического к квазипериодическому колебательному процессу и е хаотизации.
