Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований механизмов воздействия электромагнитных полей на полупроводниковые приборы СВЧ- диапазона 16
2. Нелинейные режимы работы полупроводниковых приборов СВЧ- диапазона, находящихся под воздействием внешнего сигнала 28
2.1. Нелинейная динамика генератора на туннельном диоде при воздействии внешнего СВЧ-сигнала 28
2.1.1. Модель, используемая при расчете 28
2.1.2. Результаты расчета выходных характеристик генератора, проведенного с учетом изменения ВАХ активного элемента под воздействием внешнего СВЧ-сигнала 32
2.2. Синхронизированный СВЧ-генератор на диодном полупроводниковом элементе с отрицательным дифференциальным сопротивлением в схеме вычитания сигналов 40
2.2.1. Модель, используемая при расчете 40
2.2.2. Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотних характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора в схеме вычитания сигналов 44
2.3. Синхронизированный генератор на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов 48
2.3.1. Модель, используемая при расчете 48
2.3.2. Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов 51
2.3.3. Результаты экспериментальных исследований синхронизированного генератора на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов 53
2.4. Синхронизированный СВЧ-генератор на полевом транзисторе с барьером Шоттки в схеме вычитания сигналов 55
2.4.1. Модель, используемая при расчете 55
2.4.2. Результаты расчета мощности о-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на GaAs-ПТШ в схеме вычитания сигналов 59
2.4.3. Результаты экспериментальных исследований синхронизированного генератора на GaAs-ПТШ в схеме вычитания сигналов 62
Управление выходным сигналом синхронизированных СВЧ- генераторов 66
3.1. Управление выходным СВЧ-сигналом синхронизированного генератора изменением напряжения питания активного элемента 66
3.1.1. Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на диоде Ганна изменением напряжения питания 67
3.1.2. Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на полевом транзисторе с барьером Шоттки изменением напряжения питания 75
3.2. Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на диоде Ганна с помощью оптического излучения 82
Использование явления синхронизации при разработке новых типов измерительных устройств 99
4.1. Использование синхронизированных генераторов для измерения параметров полупроводниковых эпитаксиальных слоев 99
4.2. Использование синхронизированных генераторов для измерения параметров диэлектриков 100
4.3. Автоматизированный измерительный комплекс для определения параметров двухслойных структур радиоволновыми и оптическими методами 105
4.4. Использование явления синхронизации для диагностики и коррекции зрения при нистагме 118
Заключение 125
Библиографический список 127
- Результаты расчета выходных характеристик генератора, проведенного с учетом изменения ВАХ активного элемента под воздействием внешнего СВЧ-сигнала
- Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов
- Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на диоде Ганна изменением напряжения питания
- Использование синхронизированных генераторов для измерения параметров диэлектриков
Введение к работе
К перспективным направлениям современной твердотельной электроники и радиофизики можно отнести исследование физических процессов в полупроводниковых элементах, используемых для генерации, усиления и преобразования СВЧ-колебаний, таких как туннельные диоды, диоды Ганна, лавинпо-пролетные диоды, биполярные и полевые СВЧ транзисторы, а также особенностей взаимодействия электромагнитных полей в электродинамических системах с полупроводниковыми элементами [1-9]. Важным фактором, стимулирующим проведение этих исследований, является открытие новых физических эффектов в полупроводниковых приборах, позволяющих разрабатывать устройства СВЧ различного назначения: полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн, генерации и усиления сверхвысокочастотных колебаний [1, 10-18].
Применение в диапазоне СВЧ новых полупроводниковых элементов и радиотехнических схем создает реальные условия для дальнейшего прогресса и совершенствования сверхвысокочастотной радиоаппаратуры. Изменяются коренные принципы конструирования СВЧ-систем, претерпевают значительные изменения классические способы управления СВЧ-мощностью, а также методы измерения параметров материалов и структур.
Особую актуальность приобретают исследования режимов работы устройств в случае, когда они находятся под действием оптического излучения [19-28], внешнего СВЧ-сигнала [29-33], либо являются активными элементами сложных радиофизических систем.
Большое внимание уделяется исследованиям, посвященным разработке и созданию оптически управляемых полупроводниковых устройств СВЧ-диапазона на основе биполярных и полевых транзисторов [19-24], лавинно-пролетных диодов, работающих в ІМРАТТ и TRAPATT режимах [25, 26], диодов Ганна [2,5,19, 27]. Использование оптически управляемых активных полупроводниковых СВЧ-элементов позволило реализовать устройства с расширенными функциональными возможностями: оптические переключатели, фазовра-
щатели, смесители, ограничители, быстродействующие фотоприемники, СВЧ-усилители с регулируемым коэффициентом усиления, генераторы с оптической подстройкой частоты, фазы и мощности выходного сигнала.
Значительное число публикаций посвящено исследованию работы полупроводниковых синхронизированных СВЧ-генераторов при воздействии оптического излучения [2, 19,21,22, 34-37]. На их основе разработаны схемы повышения стабильности частоты, системы с регулируемыми амплитудой и фазой выходного колебания [38-42].
При теоретическом описании и экспериментальных исследованиях взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ- и оптического диапазона с полупроводниковыми приборами оказывается необходимым рассматривать не только физические процессы, протекающие в полупроводниковых структурах при воздействии на них внешнего сигнала, но и решать сложные задачи по нахождению распределения поля в электродинамической системе с полупроводниковыми элементами. Стараясь более строго решить электродинамическую задачу, авторы часто представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрощенные модели. Взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ- и оптического диапазона с полупроводниковыми элементами в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего сигнала к настоящему времени изучены недостаточно [43-52]. Анализ особенностей изменения стационарных и высокочастотных характеристик лавинно-пролетных диодов и арсе-нид-галлиевых полевых транзисторов при высоком уровне мощности внешнего СВЧ-сигнала был проведен авторами работ [53-59], однако глубина этих исследований на сегодняшний день является уже недостаточной.
При описании свойств полупроводниковых приборов иа СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольтамперную характеристику, импеданс) [1,60-62]. Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах. В то же время ясно, что с увеличе-
ниєм уровня воздействующей СВЧ-мощности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых приборов [2,29-32,63,64].
Одним из основных типов полупроводниковых приборов, использующихся в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ, является арсенид-галлиевый полевой транзистор с барьером Шоттки (GaAs ПТШ), на основе которого создаются устройства повышенного уровня мощности, работающие на частотах до 30 ГГц [65-67]. В лучших образцах мощных полевых транзисторов на GaAs типичные значения максимальной удельной выходной мощности превышают 1 Вт/мм (Вт на миллиметр длины затвора) [5]. Специфика нелинейного режима работы GaAs ПТШ в настоящее время изучена недостаточно. Авторами работ [56,58, 59, 68,69] отмечена возможность возникновения в некоторых режимах работы GaAs ПТШ субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителей на их основе.
Одним из наиболее эффективных способов улучшения характеристик полупроводниковых устройств является использование твердотельных генераторов СВЧ-диапазона в качестве активных элементов в системе с внешней синхронизацией [70, 71]. Синхронизация полупроводниковых СВЧ-генераторов позволяет создать устройства, обладающие большей частотной стабильностью и позволяющие полнее использовать энергетические возможности активного элемента. Генератор с внешней синхронизацией оказывается способным не только генерировать сигнал фиксированной частоты, но и выполнять различные функции: преобразование частоты, усиление, детектирование сигналов с частотной и фазовой модуляцией. Ввиду резко нелинейного характера взаимодействия в автоколебательной системе, находящейся в условиях внешней синхронизации, а также широких возможностей управления данной системой путем изменения различных внешних параметров (амплитуды и частоты синхросигнала, напряжения питания активного элемента, воздействием внешнего магнитного поля, СВЧ-или оптического излучения), выходные мощностные и фазовые характеристики данной системы обладают рядом существенных особенностей, открывающих путь к созданию новых классов устройств на основе синхронизированных генераторов.
Совершенствование широко используемых в технике СВЧ схем сравнения (мостовых схем) [17] также возможно путем введения в них дополнительных фа-зочувствительных элементов, в качестве которых могут быть использованы синхронизированные генераторы [72], так как явление синхронизации, во-первых, обеспечивает в стационарном режиме при внешней синхронизации постоянство разности фаз <р между выходным сигналом автогенератора и синхросигналом, что делает эти сигналы когерентными, а, во-вторых, разность фаз (р может изменяться от -л/2 до ж/2 при небольших, менее 1%, изменениях частоты синхросигнала или собственной частоты автогенератора. Это позволяет, выбором необходимых фазовых и амплитудных соотношений между синхросигналом и выходным сигналом синхронизированного генератора добиться оптимальной величины мощности выходного сигнала на общей нагрузке, или же, напротив, добиться почти полного гашения сигнала и резко повысить фазовую чувствительность схем сравнения.
Одной из наиболее распространенных задач в технике является задача контроля толщины и электропроводности металлических слоев, нанесенных на изолирующие и проводящие подложки. Среди возможных вариантов её решения наибольший интерес для практики представляет разработка методов неразру-шающего контроля этих параметров и устройств для их реализации. Перспективу широкого применения имеют устройства неразрушающего контроля толщины и электропроводности, отличающиеся меньшими габаритами, весом, потребляемой мощностью, высокой точностью измерений, простотой в эксплуатации. Совокупности этих требований могут удовлетворить измерители, созданные на основе эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых генераторах микроволнового и оптического диапазонов длин волн [2, 6],
Достоинством бесконтактных методов исследования характеристик полупроводниковых структур, к которым, помимо прочих, относятся СВЧ-методы, является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [73-76]. СВЧ-методы основаны на поглощении электромагнитной энергии свободными носителями заряда, на инерционности носителей в СВЧ-поле, на повороте плоскости поляризации волны при искривлении траектории
движения свободных носителей заряда, на резонансном поглощении электромагнитной энергии и других специфических эффектах в полупроводниках на СВЧ. Эти методы являются оптимальными при измерениях материалов и структур, используемых в приборах полупроводниковой СВЧ-электропики, поскольку исследования с помощью зондовых методов могут давать недостаточно информации для конструирования СВЧ-устройств с заданными характеристиками.
Таким образом, проведение экспериментальных и теоретических исследований характеристик работающих в нелинейных режимах полупроводниковых активных элементов СВЧ-устройств при воздействии внешнего СВЧ- или оптического сигнала является актуальным, и представляет научный и практический интерес.
С учетом вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы: экспериментальное исследование и математическое моделирование особенностей воздействия СВЧ- и оптического излучения на активные полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона, работающие в нелинейных режимах.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
построение модели генератора на туннельном диоде, учитывающей изменение вида вольтамперной характеристики диода при воздействии внешнего СВЧ-сигнала вследствие разогрева свободных носителей заряда и появления продетектированного сигнала;
описание динамики перехода генератора на туннельном диоде от режима автоколебаний через режим асинхронных колебаний к режиму подавления автоколебаний вследствие исчезновения области отрицательного дифференциального сопротивления на вольтамперной характеристике при относительно низких уровнях мощности внешнего СВЧ-сигнала;
экспериментальное и теоретическое исследование работы одноконтурных и многоконтурных полупроводниковых синхронизированных СВЧ-генераторов в схеме сравнения, в которой реализуется режим вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора — на общей нагрузке, при изменении параметров внешней схемы: на-
пряжения питания активного элемента, мощности синхросигнала, электродинамических характеристик СВЧ-тракта;
экспериментальное и теоретическое исследование влияния оптического излучения на синхронизированные генераторы на диоде Ганна, работающие в режиме вычитания сигнала;
разработка и создание на основе проведенных исследований новых высокочувствительных методов измерения параметров материалов и структур.
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 стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
в результате компьютерного моделирования установлено, что учет изменения вида ВАХ туннельного диода при воздействии внешней СВЧ-мощности позволяет адекватно описать наблюдавшиеся экспериментально уменьшение генерируемой мощности и последующий срыв автоколебаний в генераторе на туннельном диоде с ростом уровня мощности внешнего СВЧ-сигнала.
построена аналитическая модель полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора, работающего в схеме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора на общей нагрузке;
теоретически и экспериментально показано, что использование СВЧ-схемы сравнения, в которой реализуется режим вычитания когерентных сигналов, позволяет реализовать новые высокоэффективные методы управления выходным сигналом с помощью напряжения питания активного элемента или оптического сигнала;
разработан и создан автоматизированный измерительный комплекс для опре
деления параметров слоистых наноструктур.
Практическая значимость полученных результатов:
определение условий, при которых происходит изменение вида вольтампер-ных характеристик туннельных диодов в результате воздействия на них излучения с высоким уровнем СВЧ-мощности, может быть использовано при конструировании генераторов и усилителей, уточнения областей их применения;
предложенная СВЧ-схема вычитания когерентных сигналов в полупроводниковых синхронизированных СВЧ-генераторах позволяет реализовать эффективные методы управления амплитудой и фазой СВЧ-сигнала с помощью напряжения питания или оптического сигнала, высокочувствительные методы измерения параметров материалов и структур;
разработанная методика измерений толщины тонких проводящих слоев в диапазоне толщин от 5 нм до 2 мкм позволяет создать высокочувствительную измерительную систему контроля параметров металлополупроводниковых и металл од иэлектрических структур с использованием синхронизированных СВЧ- генераторов.
результаты работы использованы при выполнении грантов 2003 (шифр А03-3.15-491) и 2004 (шифр А04-3.15-31) годов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Для адекватного описания динамики наблюдавшегося экспериментально уменьшения генерируемой мощности и последующего срыва автоколебаний в генераторе на туннельном диоде с ростом уровня мощности внешнего СВЧ-сигнала необходимо использование модели генератора на туннельном диоде, учитывающей изменение вида вольтамперной характеристики диода при воздействии внешнего СВЧ-сигнала вследствие разогрева свободных носителей заряда и появления продетектированного сигнала.
Разработанная аналитическая модель полупроводникового диодного синхронизированного генератора, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора, — позволяет адекватно описать МЧХ и ФЧХ сигнала в нагрузке в различных режимах работы по постоянному току активного элемента, при воздействии на полупроводниковую структуру активного элемента оптического излучения, при различных уровнях мощности воздействующего синхросигнала, параметрах внешней СВЧ-схемы.
Изменением мощности синхросигнала, напряжения питания активного элемента, воздействием оптического излучения на активный элемент полупроводниковых СВЧ-генераторов на диодах Ганна и ПТШ, работающих в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора, — достигается глубокая амплитудная и фазовая модуляция выходного сигнала при неизменности его частоты.
Знак скорости изменения фазы на фазочастотной характеристике выходного сигнала в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора, - определяется уровнем мощности синхросигнала, величиной напряжения питания активного элемента, интенсивностью воздействующего оптического излучения.
Для повышения чувствительности методов измерений параметров материалов и структур с использованием синхронизированных генераторов может быть успешно использована схема вычитания когерентных сигналов.
Апробация работы.
Результаты работы представлены на:
IEEE-Russia Conference "1999 High Power Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications", Новосибирск, Россия, 21-23 сентября 1999 г.;
Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника». Зеленоград, 19-30 ноября 2001 г.;
14-ой Международной конференции по СВЧ, радарам и беспроводным коммуникациям "MIKON-2002", Гданьск, Польша, 20-22 мая 2002 г.;
8-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия, 14-19 сентября 2002 г.;
33-ей Европейской конференции по СВЧ, Мюнхен, Германия, 7-9 октября 2003 г.;
научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», Саратов, 18-19 февраля 2003 г.;
13-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2003), Севастополь, Украина, 8-12 сентября 2003 г.
Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники», Самара, 30 июня 2003 г.;
2-ой Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 7—13 сентября 2003 г.;
10.4-ой Международной научно-технической конференции «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе», Баку и Сумгаит, Азербайджан, 16-18 декабря 2003 г.;
11.4-ом Московском Международном Салоне инноваций и инвестиций, Москва, Всероссийский Выставочный Центр, 25-28 февраля 2004 г.;
12.15-ой Международной конференции по СВЧ, радарам и беспроводным коммуникациям "MIKON-2002", Варшава, Польша, 17-19 мая 2004 г.
13.14-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо-2004. Украина, Севастополь, 13-17 сентября 2004 г.;
14.34-ей Европейской конференции по СВЧ, Амстердам, Нидерланды, 12-14 октября 2004 г.;
15. на семинаре кафедры физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.
По материалам исследований получены 3 патента РФ и 2 свидетельства на полезную модель;
1. Патент РФ. № 2233430. Способ видеоизмерения толщины плёнки / Д.А. Уса-
нов, Ан.В. Скрипаль, Ал.В. Скрипаль, А.В.Абрамов, А.А.Сергеев, А.Н.Абрамов, Т.В.Коржукова. - Опубл. 27.07.2004, Бюл. №21.
Патент на изобретение РФ №2193337. Способ исследования движения глазного яблока / Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Абрамов А.В., Усанова Т.Б., Скрипаль Ан.В. Опубл. 27.11.2002. Бюл. №33.
Патент на изобретение РФ №2221475. Способ исследования движения глаз по бинокулярному изображению и устройство для его реализации / Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В, Абрамов А.В., Усанова Т.Б., Фекли-стов В.Б.. Опубл. 20.01.2004.""-
Свидетельство на полезную модель № 28391 RU, МКИ 7 G 01 В 11/06. Устройство для видеоизмерения толщины пленки / Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Скрипаль Ал.В., Абрамов А.В., Серггев А.А., Абрамов А.Н., Коржу-кова Т.В. // №2002134485/20. Заявл. 10.12.2002; Опубл. 20.03.2003; Бюл. № 8.
Свидетельство на полезную модель №25157 RU, МКИ 7 А 61 В 8/10. Устройство для исследования движения глазного яблока/ Усанов Д.А„ Скрипаль А.В., Скрипаль А.В., Абрамов А.В., Усанова Т.Е., Феклистов В.Б. // № 2002115957/20. Заявл. 19.06.2002; Опубл. 20.09.2002; Бюл. № 26.
Разработанные в ходе выполнения работы приборы экспонировались на:
51-ой Всемирной выставке инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссельская эврика 2002» (золотая медаль с отличием).
3-м, 4-м и 5-м Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2003 и 2005 г. (золотая и две серебряные медали)
Международной выставке изобретений «IENA-2004» (г.Нюрнберг, Германия) (серебряная медаль).
33-м Международном салоне изобретений, новой техники и товаров «Жене-ва-2005» (г.Женева, Швейцария) (золотая медаль).
Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 работ [41,63,64,68,69,77-122].
Личный вклад автора выразился в участии в проведении всего объема экспериментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих результаты экспериментов, проведении компьютерного моделирования и анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 54 рисунка и список литературы из 194 наименований.
Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура и объем работы,
В первой главе проведен анализ современного состояния исследований механизмов воздействия электромагнитных полей на полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона, работающие в нелинейных режимах.
Во второй главе представлены результаты исследований нелинейных режимов работы полупроводниковых приборов СВЧ-диапазона, находящихся под воздействием внешнего сигнала: описана нелинейная динамика генератора на туннельном диоде при воздействии внешнего СВЧ-сигнала, разработана аналитическая модель синхронизированного СВЧ-генератора на диодном полупроводниковом элементе с отрицательным дифференциальным сопротивлением в схеме сравнения, в которой реализуется режим вычитания сигналов, исследована работа синхронизированных генераторов на диоде Ганна и ПТШ в этой схеме.
В третьей главе описаны разработанные новые высокоэффективные методы управления амплитудой и фазой выходного сигнала СВЧ-генераторов путем изменения напряжения питания и воздействия оптического излучения с использованием схемы вычитания когерентных сигналов,
В четвертой главе приведены результаты применения синхронизированных генераторов, работающих в режиме вычитания когерентных сигналов, для измерения параметров материалов и структур, описан автоматизированный измерительный комплекс определения параметров двухслойных структур радиоволновыми и оптическими методами, показана возможность использования явления синхронизации и режима гашения колебаний внешним сигналом для коррекции зрения при нистагме - непроизвольных колебательных движений глаз.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
Результаты расчета выходных характеристик генератора, проведенного с учетом изменения ВАХ активного элемента под воздействием внешнего СВЧ-сигнала
При воздействии входного СВЧ-сигнала большой мощности поведение нелинейной динамической системы может стать хаотическим, при этом сам переход системы от детерминированного поведения к случайному может осуществляться через каскад бифуркаций с увеличением периода колебаний [136]. В этом случае в спектре выходного сигнала наблюдаются субгармонические составляющие.
Субгармонические составляющие в спектре колебаний генератора на диоде Ганна наблюдались авторами работ [137-139]. В работе [139] приведены результаты численного моделирования, показывающие, что колебания в диоде Ганна, на который осуществляется внешнее гармоническое воздействие, в зависимости от значений напряжения смещения, частоты и амплитуды гармонического сигнала характеризуются наличием субгармонических составляющих. Эффект детектирования в усилителе на диоде Ганна описан в работе [53], авторы которой установили, что ход зависимостей продетектированного сигнала от частоты и напряжения смещения совпадает с ходом аналогичных зависимостей коэффициента усиления. Отмечено, что на значение продетектированного сигнала существенное влияние оказывает сопротивление нагрузки диода. Изучению процесса автодинного детектирования генератором на диоде Ганна посвящены работы [54,140, 141]. Установлено, что величина сигнала, продетектированного диодом Ганна, существенным образом зависит от связи диода с нагрузкой.
Одним из наиболее перспективных полупроводниковых элементов, на основе которых возможна реализация многофункциональных устройств СВЧ-диапазона, является ПТШ.
Получение на выходе транзисторных СВЧ-устройств максимального уровня выходной мощности возможно лишь при их работе в существенно нелинейных режимах [142-145]. При работе ПТШ в таких режимах возникает опасность возбуждения в нем колебаний с частотами, лежащими в более низкочастотном диапазоне, в частности, возможно появление субгармонических колебаний и хаотизация спектра выходного сигнала [59]. Причиной возникновения таких колебаний является потеря устойчивости устройств на GaAs ПТШ, работающих в нелинейных режимах. Потеря устойчивости транзисторных усилителей может быть обусловлена как внутренней, так и внешней обратной связью в транзисторе [142]. Устойчивость усилителей мощности на биполярных транзисторах достаточно хорошо изучена [142, 146]. Устойчивость усилителей мощности на полевых транзисторах с барьером Шоттки, как правило, анализировалась лишь для линейных режимов их работы [147, 148]. Специфика нелинейного режима работы GaAs ПТШ, в частности возможность возбуждения колебаний в низкочастотном диапазоне с периодом, некратным периоду входного СВЧ-сигнала, а также влияние внешней обратной связи на возникновение квазипериодических колебаний в усилителях на GaAs ПТШ в настоящее время также мало изучена. Возможность асинхронного возбуждения автоколебаний в нелинейном транзисторном усилителе мощности рассматривалась авторами работы [142]. Результаты экспериментального исследования детекторного эффекта в полевом транзисторе малого уровня мощности, работающем в усилительном режиме, приведены в работе [149], а теоретический анализ применительно к этому случаю предложен в работах [56, 150]. Результаты экспериментального и теоретического исследования воздействия СВЧ-сигнала на полевой транзистор приведены в работе [57]. Как было отмечено ранее, наряду с детекторным эффектом возможно возникновение сложных колебательных режимов, характеризующихся появлением в спектре выходного сигнала полупроводниковых СВЧ-устройств как высокочастотных, так и низкочастотных составляющих входного сигнала. В работе [58] исследован сложный колебательный режим GaAs ПТШ. Было показано, что при определенных условиях в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на основе GaAs ПТШ могут возникать субгармонические составляющие с частотами, кратными /0/2 и /0/9. Установлено, что при воздействии сильного СВЧ сигнала на GaAs ПТШ существуют интервалы напряжений питания и мощностей входного сигнала, при которых возможно возникновение субгармоник, характеризуемых большим целым числом, равным отношению частот входного сигнала и субгармоники. При выходе за эти интервалы, в том числе и при увеличении мощности свыше определенной величины, субгармоника в спектре исчезает. Последнее свидетельствует о том, что с изменением режима и уровня внешнего сигнала изменяется характер нелинейности характеристик транзистора. В работах [68, 69] проанализированы закономерности изменения спектра выходного сигнала арсенид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шоттки с внешней обратной связью в режиме с квазипериодическими и установившимися субгармоническими колебаниями с использованием эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.2. Описан колебательный процесс, возникающий в полевом транзисторе с малым значением потерь в контуре обратной связи и представляющий собой последовательность радиоимпульсов с высокочастотным заполнением. Установлено, что изменение параметров элементов цепи обратной связи может либо способствовать хаотизации выходного сигнала арсенид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шоттки, либо регуляризовать его. Сделан вывод о тенденции, заключающейся в уменьшении кратности субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала с ростом напряжения в цепи питания исток-затвор при постоянном уровне мощности входного сигнала.
Воздействие внешнего сигнала может приводить не только к появлению детекторного эффекта. Если частота воздействующего СВЧ-сигнала близка к собственной частоте генератора, возникает явление синхронизации.
Вопросы синхронизации автогенераторов рассматриваются в литературе уже в течение длительного периода времени. Появление новых классов генераторных устройств СВЧ вызвало целый ряд исследований и публикаций, посвященных изучению процессов синхронизации с учетом специфики СВЧ-генераторов [17, 61, 70, 71, 151—153]. Исследованию процессов синхронизации в генераторах на диоде Ганна, в том числе при воздействии на диод Ганна внешнего магнитного поля, посвящены работы [152, 153].
Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов
Результаты расчета нормированных на выходную мощность автономного генератора мощностно-частотных Р&УРо и фазочастотных ц/(х) (в полярной системе координат) характеристик сигнала на нагрузке GL при протекании тока IL для различных значений параметра F, выполненные с использованием соотношений (2.17), (2.18) и (2.20), представлены на рис. 2.9 а и б соответственно. Как видно из представленных на этом рисунке результатов, выходная мощность в минимуме МЧХ немонотонно зависит от мощности синхросигнала.
При определенном значении величины синхросигнала FQ (рис. 2,9,а, сплошная кривая) на частоте, соответствующей минимуму МЧХ, наблюдается максимальное подавление мощности выходного сигнала на нагрузке GL.
На фазочастотных характеристиках у/{х) в окрестности минимума МЧХ, который реализуется в области отрицательных значений х, наблюдается быстрое (вплоть до скачкообразного) изменение фазы выходного сигнала у/ на величину ж (рис. 2.9,6). При значениях F, меньших F0, т.е. в случае, когда достигается выполнение условия ISL - /ВЬ[Х, скорость изменения фазы на ФЧХ в окрестности минимума МЧХ положительна и увеличивается по мере приближения F к FQ. При превы шении F значения F0 скорость изменения фазы в окрестности минимума МЧХ скачком изменяет знак с положительного на отрицательный. Дальнейшее увеличение F приводит к уменьшению скорости изменения фазы на фа-зочастотной характеристике. На вставке рис. 2.9,6" представлены ФЧХ выходного сигнала в области положительных значений х.
При фиксированной частоте синхросигнала изменение мощности синхросигнала приводит к значительному изменению мощности (рис. 2Л0, а) и фазы (рис. 2.10, б) выходного сигнала на нагрузке в схеме сравнения. Из результатов расчета следует, что выбором величины расстройки х и диапазона изменения мощности синхросигнала может быть получен как монотонный, так и немонотонный характер зависимости Pi/Po(F). При этом изменение фазы выходного сигнала с изменением мощности синхросигнала достигает п. Выбором частоты синхросигнала можно добиться изменения выходной мощности генератора более чем на 40 дБ на фиксированной частоте выходного сигнала при изменении мощности синхросигнала.
На рис. 2.11 приведены расчетные МЧХ и ФЧХ сигнала в нагрузке схемы вычитания когерентных сигналов при различных значениях дополнительного фазового набега, вводимого в одно из плеч мостовой схемы.
Как видно из представленных результатов расчета, исследуемая СВЧ-схема обладает высокой чувствительностью к изменению амплитуды и фазы сигналов, приходящих в нагрузку, поэтому представляет интерес исследование изменения характеристик сигнала в нагрузке при воздействии на активный элемент генератора различного рода внешних факторов, таких как внешнее оптическое излучение, изменение напряжения питания активного элемента, нагрузки генератора, наличие в каком-либо из плеч схемы измеряемых образцов.
Если в качестве активного элемента синхронизированного генератора используется диод Ганна, то нелинейная зависимость мгновенных значений активной составляющей тока /, протекающего через полупроводниковую структуру активного элемента, от мгновенных значений напряжения U на ней [169] можно аппроксимировать выражением вида[170]: где 5 — площадь поперечного сечения диода, п0 и //0 концентрация и подвижность свободных носителей заряда в полупроводниковой структуре диода, d — длина диода, Vs — дрейфовая скорость насыщения свободных носителей заряда,
Z =0 при U U„, D=2 В при U U„. Расчеты, проведенные в [169], свидетельствуют о возможности применения данной зависимости i{U) в качестве динамической вольтамперной характеристики диода Ганна на частотах до 10-12 ГГц. Возможность успешного использования динамических ВАХ для описания режимов работы СВЧ-генераторов на диодах Ганна иллюстрирована результатами, приведенными в [15, 170, 171].
Для описания работы синхронизированного много контур ного генератора на диоде Ганна (СГДГ) в мостовой схеме в режиме вычитания синхросигнала и выходного сигнала СГ на общей нагрузке при реальных параметрах активного элемента и элементов СВЧ-схемы так же, как и в [152, 153, 155] используется эквивалентная схема, приведенная нарис. 2.12,
Элементы схемы моделируют полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединенных емкости С3, активной нелинейной проводимости G(U), определяемой по ВАХ диода i(U), и последовательно соединенного сопротивления i?[, корпус диода L}, С4, СВЧ-контур диода, представленный в виде параллельного Llt С, и последовательного L2t С2 контуров, эквивалентную проводимость нагрузки на выходе мостовой схемы УЇ, цепь питания диода Ганна, состоящую из источника напряжения Eg, дросселя L5 и сопротивления СВЧ-контур генератора синхросигнала, содержащий источник переменного сигнала Es, сопротивление Д,- и последовательный L4, С5 контур.
Эквивалентная схема описывается системой из десяти обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, составленных на основе законов Кирхгофа:
Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на диоде Ганна изменением напряжения питания
Расчеты спектральных составляющих выходного сигнала показывают, что воздействие оптического излучения мощностью до 100 Вт/см2 в исследуемой схеме наряду с резким изменением мощности основной гармоники /$, до 30 дБ, приводит к изменению мощностей второй 2/о и третьей ЗУо гармоник выходного сигнала СГДГ, достигающему 10 дБ. Это приводит к существенному изменению фазового портрета колебаний СВЧ-тока в нагрузке (рис. 3.17, а-в). На рис. 3.17, г-е представлены спектрограммы выходного сигнала генератора /уРо при различных интенсивностях оптического излучения.
Для проведения экспериментальных исследований использовалась конструкция, блок-схема которой приведена на рис. ЗЛО. Исследовался полупроводниковый СВЧ-генератор трехсантиметрового диапазона длин волн, в качестве активного элемента которого использовался диод Ганна типа ЗА723, запитывае-мый от источника постоянного напряжения. Излучение Яе-А/е-лазера типа ЛГ-52-1 с помощью оптической системы (линзы) направлялось на кристалл диода Ганна, корпус которого был частично удален. В одном из плеч мостовой схемы размещался источник синхросигнала, в качестве которого использовался СВЧ-генератор типа Г4-83, а в другом — генератор на диоде Ганна. На выходе мостовой схемы синхросигнал и выходной сигнал генератора на диоде Ганна суммировались на общей нагрузке. Результирующий сигнал контролировался с помощью анализатора спектра типа С4-27 и измерителя мощности типа МЗ-51.
На рис. 3.18 приведены результаты измерения зависимости мощности основной гармоники сигнала P\JPQ на выходе мостовой схемы в нагрузке, при работе генератора в режиме синхронизации, от частоты синхросигнала (МЧХ) при отсутствии (сплошная кривая) и воздействии (пунктирная кривая) оптического излучения He-Ne-лазера на диод Ганна.
Из приведенных на рис. 3.18 результатов следует, в частности, что воздействие оптического излучения приводит к изменению положения минимума на МЧХ (пунктирная кривая рис. 3.18). Поскольку в окрестности частоты, соответствующей минимуму МЧХ, исследуемая схема обладает чрезвычайно высокой чувствительностью ( 20 дБ/МГц) к изменению собственной частоты генератора на диоде Ганна, то при фиксированной частоте синхросигнала воздействие оптического излучения с интенсивностью 30-100 Вт/см2, вызывающее даже незначительное изменение частоты 1-3 МГц и мощности 0.01-0.1 мВт выходного сигнала диода Ганна, приводит к значительному, до 30 дБ, изменению выходной мощности на нагрузке синхронизированного генератора (рис. 3.19).
На рис. 3.19 представлены экспериментальные зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала синхронизированного генератора РцІРц от интенсивности оптического излучения / при фиксированных значениях расстройки Af = f-f(j частоты синхросигнала / от собственной частоты генератора на диоде Ганна /0. Выбором величины расстройки Д может быть получен как монотонный (штриховая кривая), так и немонотонный (сплошная кривая) характер зависимости Рц/Ро(Т).
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования и расчеты свидетельствуют о высокой чувствительности характеристик синхронизированного генератора на диоде Ганна к воздействующему на полупроводниковую структуру диода оптическому излучению. Это позволяет использовать режим вычитания сигналов в полупроводниковых синхронизированных генераторах на диодах Ганна для создания оптоэлектронных СВЧ-систем с регулируемыми амплитудой и фазой выходного колебания, для высокоточной индикации изменения величины оптического излучения, создания полупроводниковых СВЧ-устройств с расширенными функциональными возможностями.
Таким образом, использование полупроводниковых синхронизированных СВЧ-генераторов, работающих в режиме вычитания сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора — позволяет реализовать новые высокоэффективные методы управления амплитудой и фазой выходного сигнала СВЧ-генераторов с помощью изменения напряжения питания и воздействия оптического излучения.
Как уже отмечалось, достоинством СВЧ-методов исследования характеристик полупроводниковых структур является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [73-76]. СВЧ-методы основаны на поглощении электромагнитной энергии свободными носителями заряда, на инерционности носителей в СВЧ-поле, на повороте плоскости поляризации волны при искривлении траектории движения свободных носителей заряда, на резонансном поглощении электромагнитной энергии и других специфических эффектах в полупроводниках на СВЧ.
Однако диапазоны контролируемых параметров, вследствие недостаточной чувствительности используемых методов контроля и ограничений, накладываемых на используемые расчетные соотношения, часто оказываются недостаточными для обеспечения потребностей современного производства интегральных схем, микро- и наноэлектронных устройств сверхвысокочастотного диапазона. Использование синхронизированных полупроводниковых генераторов в схеме вычитания когерентных сигналов позволяет значительно увеличить чувствительность существующих методов измерения параметров материалов и структур [78,79, 81, 89-92, 95, 96, 100].
Рассмотрим волноводный метод измерения параметров эпитаксиальных структур. В одном из плеч мостовой схемы (4.1) размещается источник синхросигнала, а в другом - полупроводниковый синхронизированный генератор. На выходе мостовой схемы синхросигнал и выходной сигнал синхронизированного генератора суммируются на общей нагрузке. В рассматриваемой схеме реализуется режим вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора. Как показано в работах [78,79, 81, 89-92, 95, 96, 100], исследуемая схема обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к воздействующему на помещенную в волновод полупроводниковую эпитаксиальнуго структуру магнитному полю, что позволяет эффективно использовать эту схему при измерении подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах методом СВЧ-магнитосопротивления.
На рис. 4.2, а представлены экспериментальные зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала синхронизированного генератора на диоде Ганна Рц/Ро от величины магнитного поля, воздействующего на полупроводниковую эпитаксиальнуго структуру В, при фиксированных значениях расстройки Д/"=/-Уо частоты синхросигнала/от собственной частоты генератора . Для сравнения, на рис. 4.2, б представлена зависимость сигнала, проходящего через волновод с исследуемой структурой, от величины воздействующего на неё магнитного поля при реализации традиционного метода СВЧ-магнитосопротивления.
Аналогично, разработанная схема полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора, может быть использована для измерения электропроводности и толщины эпитаксиаль-ного слоя полупроводниковых структур.
Использование синхронизированных генераторов для измерения параметров диэлектриков
Для повышения точности оптических измерений и автоматизации измерений и расчетов дополнительных фазовых сдвигов, возникающих в системе в случае, когда подложка или нанесенный слой являются проводящими, была разработана автоматизированная система анализа видеоизображения интерференционных полос «Установка для контроля параметров тонких пленок МИИ-4 Видео» (рис. 4.6) [83].
Интерференционный сигнал от источника белого света 1 формировался на выходе микроинтерферометра 2, оптическая схема которого включала: микрообъектив, опорное зеркало, светоделительную пластину. С помощью фотокамеры 3 через USB порт интерференционный сигнал вводился в компьютер 4 и анализировался с помощью специально разработанной программы. Путем поворота видеокамеры изображение исследуемой поверхности и системы интерференционных полос выбирались таким образом, чтобы положительный сдвиг интерференционных полос совпадал со смещением систем интерференционных полос при удалении объекта от источника излучения.
Программная часть измерительной системы «Установка для контроля параметров тонких пленок МИИ-4 Видео» включала специализированную программу "MII4.exe", функционирующую в среде Windows 98, Windows 2000, Windows XP и осуществляющую анализ введенного изображения. На рис. 4.7 приведено изображение пользовательского интерфейса специализированной программы, включающее изображение границы металлической пленки, нанесенной на кремниевую подложку, систему измерительных визирных линий и результат измерения толщины проводящей пленки tx с учетом комплексных коэффициентов преломления пленки и подложки с использованием соотношения (4.3). Величины комплексных коэффициентов преломления проводящей пленки и подложки задаются с помощью указания типов пленки и подожки, заложенных в базу данных, или задаются оператором.
С помощью вертикальных визиров задаются сечения измеряемой структуры, между которыми определяется толщина пленки. Для визуального контроля положения интерференционных минимумов, выбираемых для анализа, слева и справа на пользовательском интерфейсе приводится распределение яркости (со специальными метками) изображения интерференционных полос вдоль выбираемых пользователем визирных линий на пленке и подложке.
Погрешность измерения толщины металлической пленки на полупроводниковой пластине с использованием интерференционного метода, системы цифрового ввода и компьютерного анализа видеоизображения определяется погрешностью в определении положения минимумов интенсивности на интерференционной картине. Абсолютная погрешность в определении положения интерференционного минимума при разрешении фотокамеры 1024x768 точек, если в поле зрения находится не более трех минимумов, составляет 1.5 нм. Дополнительная погрешность в определении толщины может быть обусловлена зависимостью показателя преломления и показателя поглощения металлической плёнки от её толщины в диапазоне 0-20 нм. При этом относительная погрешность є измерений толщины металлической пленки в диапазоне 10-200 нм составляет не более ±10 %.
Таким образом, определив из уравнения (4.3) толщину проводящей пленки и измерив величину коэффициента пропускания электромагнитной волны СВЧ-диапазона Т и отражения R исследуемой структуры, из решения уравнений (4.1) и (4.2) можно определить значение электропроводности пленки а Использование полученного значения электропроводности пленки JX , для отработанного технологического процесса ее нанесения, позволяет измерять толщину пленки на подложке из измерений величин коэффициентов прохождения Т и отражения R исследуемой структуры в СВЧ-диапазоне, не применяя дополнительно интерференционный метод измерений, для использования которого необходимо создание резкой границы металлической пленки, нанесенной на подложку.
Проведенные в работе [84] теоретические и экспериментальные исследования доказывают возможность использования предложенного СВЧ-метода, при котором образец полностью заполняет поперечное сечение волновода, для измерения сверхтонких металлических слоев нанесенных на полупроводниковые подложки. Измеренные таким образцом образцы были использованы при калибровке СВЧ-измерителя толщины СИТ-40, применение которого позволяет значительно повысить локальность и производительность измерений. Принцип действия СВЧ-измерителя толщины СИТ-40 основан на эффекте автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах [2,6].
В состав СВЧ-измерителя толщины, блок-схема которого представлена на рис. 4.8, входят: 1—СВЧ-датчик, включающий в себя полупроводниковый СВЧ-генератор, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка волновода или мик-рополосковой линии и использующий в качестве активного элемента диод Ганна или СВЧ-биполярный транзистор, и СВЧ-выключатель (если СВЧ-выключатель находится в состоянии «включено», то происходит резкое уменьшение чувствительности всего устройства к нагрузке, в качестве которой служит измеряемый образец, что создает условия для воспроизводимой калибровки отсчетного уровня); 2—предварительный усилитель, предназначенный для усиления сигнала, поступающего с активного СВЧ-элемента до требуемой величины, и ячейка памяти (предварительный усилитель представляет собой усилитель с регулируемой величиной обратной связи, прямой вход которого усиливаемый сигнал подается непосредственно, а на инверсный—через ячейку памяти); 3—блок питания, обеспечивающий питающими напряжениями активный СВЧ-элемент измерителя толщины и предварительный усилитель; 4—система корректировки нуля, позволяющая проводить калибровку СВЧ-измерителя; 5—блок индикации.
Принцип действия СВЧ-преобразователя заключается в следующем. Измерительная площадка СВЧ-датчика представляет собой фиксированную нагрузку для СВЧ-генератора, входящего в состав СВЧ-датчика. Полупроводниковый активный элемент СВЧ-датчика (диод Ганна или СВЧ-транзистор) работает в так называемом режиме автодинного детектирования, при котором активный СВЧ-элемент является одновременно и источником, и приемником отраженной электромагнитной волны.
