Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие науки и техники
предъявляет высокие требования к измерительной технике, в
частности, к электронным первичным преобразователям различного
назначения. В связи с развитием космической связи и для
автоматизации процессов измерения параметров СВЧ-излучения
появилась необходимость в улучшении основных характеристик
измерительных устройств, а именно: чувствительности, точности,
инерционности, широкополосное измерения, веса и габаритов
приборов, потребления ими энергии. С производственной точки
зрения также важны экономия дорогостоящих материалов,
применение более дешевых технологий и материалов. Существующие
методы измерения параметров СВЧ-поля, по крайней мере,
применяемые на практике в настоящее время, обладают
принципиальными ограничениями по этим параметрам. Поэтому
актуальным является разработка методов измерения одного из
основных параметров СВЧ-поля - мощности, которые позволили бы
увеличить чувствительность, точность, широкополосность,
уменьшить инерционность измерения, а также улучшить внешние характеристики приборов.
К таким методам в настоящее время относят те, которые основаны на взаимодействии СВЧ-поля со свободными носителями полупроводниковых структур с распределенными параметрами. С научной точки зрения представляются актуальными исследования кинетических эффектов взаимодействия неоднородного СВЧ-поля с неоднородными полупроводниковыми структурами также с целью разработки методов измерения параметров аналогичных структур. Одним из перспективных направлений, имеющих как практический, так и научный интерес с вышеуказанных позиций, является исследование радиоэлектрического эффекта в полупроводнике в СВЧ-диапазоне.
При распространении в среде со свободными носителями заряда электромагнитная волна сообщает им кроме энергии импульс, что вызывает возникновение электрического поля в направлении распространения волны, называемое полем увлечения. Вторым основным механизмом возникновения продольной ЭДС является неоднородный разогрев решетки или электронов. Так как не всегда возможно экспериментально разделить эти два механизма и, исходя из общности феноменологии эффекта возникновения постоянной продольной ЭДС в проводящей среде при падении на нее СВЧ
электромагнитной волны, принято называть этот эффект
радиоэлектрическим, а эффект увлечения рассматривать как одно
из проявлений радиоэлектрического в конкретных
экспериментальных ситуациях. К настоящему времени
радиоэлектрический эффект в полупроводниках в СВЧ диапазоне исследован в следующих случаях: 1) когда полупроводниковый образец считается неискажающим поле в волноведущей системе либо не учтена специфика его искажения полупроводником; 2) когда образец пространственно однороден.
Целью настоящей работы является изучение механизмов радиоэлектрического эффекта в однородных и слоистых полупроводниках, частично заполняющих СВЧ-волновод, с учетом дифракционного искажения образцом поля в волноводе, разработка физических основ конструирования и технологии СВЧ-устройств с распределенными параметрами.
Научная новизна работы. Разработана методика расчета СВЧ-поля в трехслойной симметричной полупроводниковой структуре, частично заполняющей прямоугольный волновод, на основе методов частичных областей и поперечного сечения с учетом высших типов волн.
Впервые рассчитана радиоэлекгрическая ЭДС в однослойной и
трехслойной симметричной полупроводниковой структуре,
ограниченной в трех координатах, с учетом истинного СВЧ-поля в частично заполненном волноводе.
Проведены измерения радиоЭДС в полупроводниковых образцах с различными видами поверхностной обработки. Степень однородности обработки поверхности контролировалась на установке по измерению поверхностного потенциала методом динамического конденсатора (КРП). Проведенное сравнение с численным результатом показало правильность выбранной модели.
Впервые проведенные экспериментальные исследования
температурных зависимостей радиоЭДС в n-Si и и- и p-InSb в СВЧ-волноводах в области 100-300 К интерпретированы на основе расчета ЭДС с учетом точного распределения поля в частично заполненном волноводе.
Достоверность полученных теоретических результатов
обеспечивается сторогостью используемых математических моделей
и вычислительных методов, их соответствием результатам
эксперимента. Достоверность экспериментальных результатов
гарантирована применением современной стандартной
радиоизмерительной аппаратуры.
Практическая ценность работы. На основе резработанной методики численного расчета СВЧ-поля и радиоЭДС в полупроводниковой структуре, частично заполняющей волновод, рассчитаны оптимальные параметры измерительного преобразователя для датчика проходящей мощности СВЧ с высокой чувствительностью и точностью измерений. Разработана конструкция (новое техническое решение) измерителя поверхностного потенциала на поверхности плоскопараллельных образцов твердых тел с более высокой точностью по сравнению с аналогами.
Предложена методика создания полупроводниковых
преобразователей для измерителей СВЧ-мощности.
В процессе выполнения работы были изготовлены измерительные полупроводниковые преобразователи СВЧ мощности (датчики) различных диапазонов. Созданные преобразователи были использованы в работах, выполняемых в ИРЭ АН СССР (Москва, 1984), КПО "Зим" (Куйбышев, 1980), ЧОЗИП (г.Чапаевск, 1982). Макет измерителя проходящей мощности был испытан на стендах предприятия п/я А1554 (г. Запорожье, 1986) и дал положительные результаты.
Установка по контролю поверхностного потенциала использована при контроле химической и плазмохимической очистки поликоровых подложек в НИИ "Экран" (г.Куйбышев, 1988).
Соответствующие акты находятся в приложении диссертационной работы.
На защиту выносятся:
-
Методика расчета поля и радиоЭДС в слоистых полупроводниковых структурах в волноводах.
-
Результаты расчетов величины радиоЭДС в слоистых полупроводниковых образцах на основе строгого электродинамического анализа характеристик волноводных неоднородностей.
-
Зависимость величины радиоЭДС в полупроводниковых образцах в СВЧ волноводах от геометрических и электрофизических параметров приповерхностных слоев.
-
Способ достижения оптимальных параметров слоистых полупроводниковых структур для датчиков СВЧ проходящей мощности с высокой чувствительностью и точностью методом подбора соотношения толщин объемных и приповерхностных слоев, их проводимостей и диэлектрических проницаемостей.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Физика
соединений А3В5" (г. Ленинград, 1978), IX Всесоюзной
конференции по электронике СВЧ (г.Киев, 1979), I Всесоюзной
межвузовской научно-технической конференции "Оптические и
радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля
контроля качества материалов и изделий" (г. Фергана, 1981), X
Всесоюзной конференции "Электроника СВЧ" (г.Минск, 1983),
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы
интегральной электроники СВЧ" (г.Ленинград, 1984), Всесоюзном
совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с
полупроводниковыми и полупроводниково-диэлектрическими
структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" (г.Саратов, 1985), VI Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивость в полупроводиках" (г.Вильнюс, 1986), I Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (г.Харьков, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 9 статей, 2 авторских свидетельства, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 172 стр., из них 35 стр. приложений, рисунки - 42 стр., список литературы - 85 наименований.
Похожие диссертации на Радиоэлектрический эффект в слоистых волноводных структурах с полупроводником в СВЧ диапазоне
