Введение к работе
Актуальность темы
Одним из совремешплх научных направлений, развивающихся на стыке радиофизики и физики полупроводников и диэлектриков, является исследование колебательных и волновых процессов в полупроводниках, диэлектриках, структурах, приборах и устройствах на их основе, включая, в первую очередь, взаимодействие колебаний и волн различной физической природы. Исследования подобного рода в части используемых методов и подходов к анализу относятся к радиофизике, а в части изучения влияния особенностей конкретной среды или системы на исследуемые процессы и явления - к физике полупроводников и диэлектриков. Актуальность таких исследований непосредственно связана с их очевидной прикладной направленностью и в значительной степени обусловлена потребностями развития СВЧ систем связи, создания и совершенствования приборов и устройств для генерирования, усиления и обработки радиосигналов, необходимостью продвижения их рабочих частот в диапазоны крайне высоких (КВЧ) и гипервысоких (ГВЧ) частот, которые соответствуют миллиметровому (мм) и субмиллиметровому (субмм) диапазонам длин электромагнитных волн.
В последние десятилетия нелинейные явления, процессы, эффекты, системы, режимы и т.п. стали основными объектами большинства исследований в физике в целом, а также в связанных с ней прикладных научных и технических областях. Многолетний и неослабевающий интерес ученых и специалистов к нелинейным системам, средам и эффектам, взаимодействию колебаний и волн обусловлен рядом причин, среди которых наиболее важными являются две: 1) нелинейные объекты исследования, колебательные и волновые процессы присутствуют во всех научных и технических областях, и, гаким образом, их изучение представляет интерес не только для конкретной предметной области, но имеет и фундаментальное, междисциплинарное, эбщенаучное значение; 2) обширные технические и другие практические триложения результатов исследований конкретных нелинейных явлений и ;вязанных с этим взаимодействий колебаний и волн.
Перспективными с практической точки зрения нелинейными физическими средами являются полупроводники, а также полупроводниковые струк-гуры, широко используемые в электронных приборах. В настоящее время эсобенно актуальными являются исследования динамических проявлений іелинейньїх свойств полупроводников, полупроводниковых структур и при-5оров именно в мм и субмм диапазонах, где начинают существенно сказы-иться инерционные свойства носителей заряда и связанные с этим эффекты, соторые в конечном итоге являются физической причиной ограничений :верху диапазона рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств. Сак известно, верхние граничные частоты работы большинства полупроводниковых радиоэлектронных приборов лежат именно в КВЧ и ГВЧ диапазо-
нах. Проблема расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов и устройств и, в частности, одна из главных - увеличение их рабочих частот - может решаться различными путями: совершенствованием технологии и конструкций; оптимизацией режимов работы; поиском новых перспективных полупроводниковых материалов и новых эффектов и т.п. К числу таких путей можно отнести использование механизма параметрической связи колебаний и волн в полупроводниках, структурах и приборах на их основе, который оказывается возможным благодаря их нелинейным свойствам. Принципиальная возможность, характер и степень проявления этих нелинейных свойств в динамическом режиме (при одновременном воздействии слабого сигнала и интенсивной накачки) являются ключевыми вопросами при оценке перспектив использования параметрического механизма связи колебаний и волн для решения упомяггутых выше задач в каждом конкретном случае.
Интерес к изучению волновых процессов в полупроводниках и диэлектриках обусловлен еще и тем, что в них могут возбуждаться и распространяться такие виды волн (акустические, квазиэлектростатические, квазимаг-нитостатические), фазовые скорости у которых на несколько порядков меньше, чем у электромагнитных волн тех же частот. Последнее обстоятельство открывает дополнительные возможности для решения проблем, связанных с микроминиатюризацией радиоэлектронных устройств и систем СВЧ и КВЧ диапазонов.
Большой научный и практический интерес представляют исследования параметрического взаимодействия волн в активных средах, которые способны усиливать монохроматические волны из определенного ограниченного частотного диапазона за счет собственных непараметрических механизмов неустойчивости. Причиной этого является возможный одновременный рост амплитуд всех связанных волн и, следовательно, возможность получения параметрического усиления высокочастотных волн с использованием низкочастотной накачки.
Примером такой нелинейной активной среды является полупроводник, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) в некотором диапазоне частот (например, у n-GaAs ОДП существует, по крайней мере, до 80 ГГц, а у п-1пР - даже до 370 ГГц) вследствие междолинных электронных переходов в сильных электрических полях. Электромагнитные волны и квазистатические волны пространственного заряда (ВПЗ) с частотами, на которых полупроводник обладает ОДП, могут усиливаться при распространении в нем. Волны с частотами, на которых ОДП пет, затухают. Однако в условиях взаимодействия затухающих и усиливающихся волн, обусловленного нелинейностью полупроводника, затухающие в обычных условиях волны при определенных условиях могут стать нарастающими. В связи с этим представляет интерес исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках с ОДП при низкочастотной накачке, а 4
также определение условий, при которых на его основе могут быть реализованы параметрігческое усиление, эффективное преобразование частоты и другие радиотехнические функции в коротковолновой части сантиметрового (см) и мм диапазоне шкалы длин электромагнитных волн. Значение исследований параметрического взаимодействия ВПЗ в таких полупроводниках с ОДП, как n-GaAs и n-fnP и тонкопленочных структурах на их основе велико еще и потому, что они позволяют решать вопросы, связанные с проблемой создания функциональных устройств коротковолновой части см и мм диапазона в интегральном исполнении, поскольку длины ВПЗ на три порядка меньше длин электромагнитных волн на тех же частотах.
На момент начала данного диссертационного исследования теоретических работ по взаимодействию ВПЗ в полупроводниках с ОДП не было. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия волн в полупроводниках с ОДП, а также данные о создании параметрическігх устройств на этой основе до сих пор отсутствуют. Теории эффекта, известные на сегодняшний день, имеют частный характер и связанные с этим недостатки, что ограничивает возможности их применения. Здесь уместно добавить, что все известные теоретические работы по ВПЗ в полупроводниках с ОДП и экспериментальные работы по устройствам на них выполнены только для одного полупроводника - n-GaAs. Конкретные данные по оценке перспектив использования другого из упомянутых выше полупроводников - п-1пР - для создания устройств на ВПЗ в литературе практически отсутствуют. В связи со сказанным проведение широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении представляется актуальным и имеет большое научное и практическое значение.
Междолинные электронные переходы, происходящие в сильных электрических полях в таких полупроводниках, как n-GaAs и п-1пР, являющиеся причиной возникновения ОДП, лежат также в основе работы диодов и генераторов Ганна. В настоящее время генераторы Ганна по большинству параметров являются наилучшими из всех существующих твердотелымх источников когерентных колебаний мм диапазона, включая его коротковолновую часть. Однако, несмотря на многолетние исследования многие вопросы, связанные как с самим эффектом Ганна и моделями, используемыми для его описания, так и с различными аспектами работы, конструирования и создания устройств на его основе в особенности на частотах, близких к предельным, исследованы недостаточно. В частности, малоизученным остается вопрос о влиянии особенностей профиля легирования полупроводниковых структур диодов Ганна на спектральный состав тока и амплитуды его гармонических составляющих. В связи с постоянным появлением новых данных, уточняющих представления о физике междолинных электронных переходов в n-GaAs и n-JnP, продолжает оставаться актуальной задача разработки и совершенствования феноменологических моделей эффекта Ганна, которые позволяют получать адекватное описание работы приборов и устройств на
его основе и проводить оптимизацию режимов генерации и технологии. Нельзя считать окончательно решенным вопрос о механизмах генерации диодами Ганна на частотах выше пролетной и, в частности, о степени влияния на это параметрических эффектов. До последнего времени продолжаются интенсивные исследования особенностей поведения диодов Ганна и их реакции на воздействия внешних как интенсивных, так и слабых СВЧ сигналов. Представляет интерес исследование параметрического взаимодействия СВЧ колебаний в диодах Ганна в одном из наиболее перспективных для мм диапазона случаев - при низкочастотной накачке. Остаются актуальными поиски подходов к конструированию резонансных систем генераторов, работающих в многочастотных режимах.
Помимо эффекта ОДП сильные электрические поля вызывают в полупроводниках и другие нелинейные явления, обусловленные разогревом носителей заряда. Все они зависят не только от амплитуд, но и от частот воздействующих на полупроводник электрических полей и от соотношения периодов этих полей и времен релаксации энергии и импульса носителей и их междолинных переходов. К таким эффектам относится появление на частотах порядка 100 ГГц и выше заметного фазового сдвига между током в полупроводнике и электрическим полем, который эквивалентен появлению реактивной компоненты проводимости полупроводника и обусловлен инерционностью свободных носителей заряда. Величина реактивной компоненты зависит от частоты сигнала и определяется временами релаксации энергии и импульса носителей заряда, которые, в свою очередь, зависят от величины греющего электрического поля. Если греющее поле менять во времени, то появляется принципиальная возможность модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника. Сама возможность, характер и степень этой модуляции во многом будут определяться конкретным выбором частот и амплитуд сигнала и накачки. Поскольку характерные частоты рассеяния энергии и импульса носителей заряда в полупроводниках лежат в коротковолновой части мм и субмм диапазонах, представляет интерес провести исследование указанного эффекта модуляции именно в этих диапазонах.
Одними из самых известных параметрических устройств СВЧ, широко используемых на практике вплоть до мм диапазона, являются параметрические усилители (ПУ) на полупроводниковых параметрических диодах (ва-ракторах), важнейшей отличительной особенностью которых является низкий уровень собственных шумов. В настоящее время созданы ПУ на варак-торах с барьером Шотгки на частоты до 94 ГГц, которые по совокупности параметров превосходят все известные типы твердотельных малошумящих усилителей. Естественным, а поэтому традиционным и наиболее распространенным путем увеличения рабочих частот ПУ является снижение емкости и последовательного сопротивления потерь варактора. Существуют и другие пути, однако на сегодняшний день многие вопросы, связанные с проблемой создания ПУ в коротковолновой части ми диапазона, исследованы 6
еще недостаточно. Так, в частности, практически неизученным остается вопрос о влиянии величины контактной разности потенциалов варакториых диодов Шоттки на их динамические параметры и характеристики ПУ мм диапазона.
Резюмируя все сказанное, можно заключить, что исследование параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и в полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах представляет собой актуальную и важную проблему на стыке радиофизики и физики полупроводников. В исследованиях по этой проблематике, а также в разработке полупроводниковых параметрических приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов достигнуты определенные успехи. Тем не менее, целый ряд вопросов, относящихся к особенностям проявления параметрических и нелинейных эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах, а также вопросов, связанных с проблемой повышения предельных рабочих частот соответствующих приборов и устройств, расширения их функциональных возможностей, остается либо вовсе неизученным, либо изучен недостаточно подробно. Поэтому исследования по теме диссертации являются актуальными и имеют большое прикладное значение.
Цель її основные задачи диссертационного исследования
Целью данной диссертационной работы является разработка и развитие физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в миллиметровом и субмиллимегровом диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определение путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей, а также разработка физических основ создания новых приборов и устройств.
Для достижения сформулированной цели решались следующие основные задачи:
1). Установление характера и степени влияния частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов в n-GaAs и п-1пР, уровня легирования и толщины полупроводниковой пленки тонкопленочных полупроводниковых структур (ТПС) на граничную частоту усиления и фазовую скорость ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке электронов.
2). Теоретическое и экспериментальное исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и ТПС с ОДП в коротковолновой части см и мм диапазоне при низкочастотной накачке и возможностей создания на этой основе функциональных устройств миллиметрового диапазона.
3). Разработка общей теории, позволяющей проводить последовательный и детальный анализ параметрического взаимодействия ВИЗ в ТПС и, в том числе, в структурах с ОДП с учетом диффузии, дисперсии и анизотропии дифференциальной подвижности носителей заряда, а также многочастотного и многомодового характера волновых процессов и реальных условий на границах полупроводниковой пленки.
4). Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных и параметрических явлений, возникающих в полупроводниковых структурах диодов Ганна и колебательных системах с диодами Ганна в миллиметровом диапазоне.
5). Теоретическое исследование инерционных свойств горячих носителей заряда в полупроводниках при одновременном воздействии сильного статического и сильного переменного электрического СВЧ поля накачки. Анализ возможности использования инерционных свойств носителей заряда в полупроводниках для создания параметрических приборов и устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
6). Теоретическое и экспериментальное исследование влияния величины контактной разности потенциалов бескорпусных варакторных диодов Шотт-ки на их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона.
7). Использование результатов проведенных исследований для разработки и создания полупроводниковых приборов и устройств обработки радиосигналов в мм диапазоне (параметрических усилителей, генераторов, преобразователей частоты, смесителей сдвига, управляемых фильтров), улучшения их параметров и характеристик, расширения функциональных возможностей.
Научная новизна работы
1. Проведен детальный сравнительный анализ факторов, определяющих особенности возбуждения и распространения ВПЗ в дрейфовом потоке носителей заряда в полупроводниках и ТПС с ОДП. Показано, что наиболее существенное влияние на характер распространения ВПЗ в коротковолновой части см и мм диапазоне наряду с диффузией оказывает дисперсия дифференциальной подвижности носителей. Впервые установлено, что для однородно легированной пленки n-GaAs с толщиной d и равновесной концентрацией электронов п0 при условии й0^=2-1014 м'2, обеспечивающем предотвращение формирования доменов сильного поля, на зависимости верхней граничной частоты^, усиливаемых ВПЗ от п0 имеется максимум. ЗначенияX для п-ЫР в 2 + 3 раза выше, чем для n-GaAs, что связано в основном с более низким значением коэффициента диффузии и более высоким значением дрейфовой скорости электронов у п-lnP в полях, соответствующих режиму ОДП.
-
Впервые теоретически и экспериментально исследовано параметрическое взаимодействие ВПЗ в дрейфовом потоке электронов в полупроводниках и ТПС с ОДП при низкочастотной накачке. Установлено, что наличие низкочастотной ВПЗ накачки в полупроводнике или в ТПС с ОДП приводит к тому, что затухающие в обычных условиях (без накачки) волны пространственного заряда коротковолновой части см и мм диапазона могут стать нарастающими, либо их затухание может быть существенно уменьшено. Теоретически показано, что для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой^ в полупроводнике с ОДП существенным является условие близости частот накачки^, и холостой/^ -fp, а расстройка от синхронизма по волновому вектору (М) взаимодействующих сигнальной и холостой волн имеет меньшее значение.
-
Впервые разработана общая теория параметрического взаимодействия ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке носителей заряда в ТПС, и в том числе в условиях ОДП с учетом диффузии, дисперсии дифференциальной подвижности носителей заряда, реальных условий на границах полупроводниковой пленки, многочастотного и многомодового характера волнового процесса.
-
Впервые теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при подаче на стабилизированный сверхкритический диод Ганна кроме слабого сигнала еще и мощной низкочастотной накачки отрицательное сопротивление, вносимое диодом Ганна во внешнюю колсбателыгую систему на частотах, превышающих пролетіг/ю, возрастает. Этот эффект позволяет увеличивать верхний частотный предел усилителей на диодах Ганна.
5. Впервые проведено целенаправлешгое теоретическое исследование
влияния особенностей профиля легирования активной области полупровод
никовых структур диодов Ганна на спектр тока и амплитуды его гармониче
ских составляющих. Численное моделирование с использованием локально-
полевой и температурной моделей показало, что для создания оптимальных
условий генерации на основной пролетной частоте и на частотах ее гармо
ник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. В
частности, максимальный уровень основной спектральной составляющей
тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концен
трации легирующей примеси NA в активной области в направлении от катода
к аноду. Ширина "зарубки" WN и уровень легирования в пей Л^ ("глубина")
для диодов Ганна, используемых в генераторах с выходом на второй гармо
нике, должны выбираться из следующих интервалов: 0,A5
О,15<0лг /LA<0,6 (где Ьл - длина активной области). Выполнение приведен
ных условий, с одной стороны, предотвращает переход к режиму со статиче
ским доменом у катода или анода, а, с другой стороны, обеспечивает макси
мально возможный перепад электрического поля при переходе из "зарубки"
в активную область и разнесение по времени процессов выхода обогащенной части домена в активную область и ухода его обедненной части в анод.
-
Впервые экспериментально обнаружена и проанализирована генерация КВЧ колебаний диодом Ганна в 3-й зоне неустойчивости параметрической системы. Анализ показал, что механизм генерации на частоте /з/2=(3/2)/е (где fQ - основная пролетная частота) комбинированный. Первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления ДГ на этой частоте. Вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего и возникают незатухающие колебания. Тог факт, что частота /3/2 наблюдавшихся в эксперименте колебаний равна (3/2);/g, говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации.
-
Впервые исследована стимулированная генерация диодом Ганна собственной частоты колебаний /о при воздействии на него СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого fs никак не связана с частотой fG , а мощность Ps значительно меньше мощности PG сигнала, генерируемого диодом Ганна.
-
Впервые теоретически исследован эффект модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала fs с частотой накачки^, в условиях, когда к полупроводнику приложено сильное постоянное электрическое поле, сильное СВЧ поле накачки с частотой^ , а также слабое СВЧ поле сигнала с частотой/s < fp . Установлено, что при изменении концентрации электронов п и частот fs и/р может происходить смена характера реактивности полупроводника, обусловливающая большие коэффициенты модуляции его диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты его проводимости. В коротковолновой части мм диапазона, когда модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости становятся величинами одного порядка, реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная. Параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда, может использоваться для создания параметрических устройств мм и субмм диапазонов.
9. Впервые проведено целенаправленное теоретическое и эксперимен
тальное исследование влияния контактной разности потенциалов на динами
ческие параметры варакторных диодов Шоттки и характеристики парамет
рических усилителей мм диапазона. Показано, что снижение контактной
разности потенциалов варакторных диодов Шоттки при прочих равных ус
ловиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметри
ческих усилителей мм диапазона.
Научная и практическая значимость работы
Научная ценность работы состоит в разработке и развитии физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и структурах полупроводниковых приборов и устройств мм диапазона, а также в разработке физических основ создания новых полупроводниковых приборов и функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.
Научные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией, использованы в научно-исследовательских работах Института космических исследований АН СССР, Саратовского филиала Института радиотехники и электроники АН СССР, предприятия п/я В-8828 (г. Москва), НИИ механики и физики при Саратовском государственном университете, что подтверждено соответствующими справками, приведенными в приложении к диссертации.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Установленные особенности распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и полупроводниковых структурах с ОДП позволяют определить наиболее оптимальные подходы к разработке и конструированию функциональных микроэлектронных устройств обработки радиосигналов в коротковолновой части см и мм диапазонах, основанных на утих принципах (усилителей, смесителей сдвига, управляемых фильтров, :шгтезаторов частот).
1. Результаты исследования параметрических и нелинейных эффектов в диодах Ганна и генераторах на их основе позволяют сформулировать новые тодходы к решению проблемы увеличения их рабочих частот, наиболее эбщие требования к особенностям структуры диодов Ганна, предназначенных для работы с выделением мощности на гармониках основной частоты, тредложить новый способ усиления мощности СВЧ колебаний, демонстрируют возможность получения генерации, стимулированной слабым внешним ;игналом мм диапазона. Все это является особенно важным при разработке тиболее коротковолновых вариантов диодов, усилителей, генераторов, преобразователей частоты и других устройств на диодах Ганна.
-
Результаты исследования инерционшлх свойств юрячих носителей за-іяда в полупроводниках, а также базирующегося на этом эффекта модуляцій проводимости полупроводника демонстрируют один из возможных гутей создания параметрических приборов и устройств в мм и субмм диапа-онах.
-
Установленная закономерность, определяющая связь контактной раз-юсти потенциалов варакторных диодов Шоттки с их динамическими пара-іетрами и характеристиками параметрических усилителей, может использо-іаться при разработке и проектировании варакторов и ПУ для коротковол-ювой части мм диапазона.
В ходе проведения данного диссертационного исследования, а также в рамках ряда важнейших НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России, координационным планам АН СССР и РАН, был разработан ряд полупроводниковых устройств миллиметрового диапазона.
Достоверность результатов диссертации
Достоверность теоретических результатов и выводов обеспечивается адекватностью используемых математических моделей, корректностью используемых упрощений, тестированием моделей, алгоритмов и программ на известных упрощенных вариантах, качественным соответствием теоретических и экспериментальных результатов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современной стандартной измерительной аппаратуры, апробированных экспериментальных методик и воспроизводимостью экспериментов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. В условиях сохранения электрической устойчивости тонкой однородно
легированной пленки n-GaAs с равновесной концентрацией дрейфующих
электронов л0 на зависимости верхней граничной частоты усиливаемых волн
пространственного заряда от п0 при ^0=(1-^2)1015 cm"j наблюдается макси
мум.
-
Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью в условиях низкочастотной накачки приводит к увеличению верхней граничной частоты усиливаемых волн, продвигая ее в миллиметровый диапазон, обеспечивает эффективное преобразование частоты в миллиметровом диапазоне, а также эффективную фильтрацию сигналов, которая может управляться путем изменения амплитуды и частоты накачки.
-
Разработана общая теория параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в тонкопленочных полупроводниковых структурах, включая структуры с отрицательной дифференциальной проводимостью, позволяющая учитывать диффузию, анизотропию и частотную дисперсию дифференциальной подвижности носителей заряда, реальные условия на границах пленки, а также многочастотный и многомодовый характер волнового процесса.
-
Низкочастотная накачка стабилизированного сверхкритического диода Ганна приводит к параметрическому усилению электромагнитных колебаний в коротковолновой части миллиметрового диапазона.
5. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока
диода Ганна и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей
концентрации легирующей примеси в направлении от катода к аноду в ак-
12
тинной области полупроводниковой структуры диода. Форма прикатодной "зарубки" полупроводниковой структуры диодов Ганна, используемых в генераторах с выходом на гармониках основной частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона, должна оптимизироваться таким образом, чтобы, с одной стороны, избежать перехода к режиму со статическим доменом у анода или катода, а, с другой стороны, чтобы обеспечить оптималь-ігую для выбранной гармоники динамику зарядов в активной области диода.
-
Механизм генерации диодом Ганна в СВЧ и КВЧ диапазонах на частотах, соответствующих нечетным зонам неустойчивости параметрической системы, комбинированный: первоначальное уменьшение потерь в коїггуре генератора происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления диода Ганна, а вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возникают незатухающие колебания.
-
Приложение к полупроводнику сильного постоянного электрического поля, сильного СВЧ поля накачки с частотой^ , а также слабого СВЧ поля сигнала с частотой fs
-
Снижение контактной разности потенциалов фк варакторных диодов Шоттки при прочих равных условиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона. Применение варакторов с пониженным значением ср* можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения параметрических усилителей в коротковолновую часть миллиметрового диапазона.
Диссертация является обобщением научных работ автора, выполненных на кафедре физики полупроводников и кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, а также в НИИ механики и физики при СГУ в период с 1974 по 1999 г.
Совокупность основных научных результатов и положений, выносимых на защиту, позволяет квалифицировать работу как решение крупной научной проблемы на стыке радиофизики и физики полупроводников, состоящей в разработке и развитии физических представлений и математических моде-
лей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определении на этой основе путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей.
Большая часть основных результатов, полученных автором в ходе работы над диссертацией, использована при выполнении ряда важнейших НИР, проводившихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России и в соответствии с координационными планами АН СССР и РАН в период с 1975 по 1996 г.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на: II Всесоюзном симпозиуме но миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Харьков, 1978 г.); Объединенном научном семинаре кафедры физики твердого тела и кафедры радиофизики Саратовского государственного университета (1981 г.); Научном семинаре в Институте прикладной физики АН СССР (Горький, 1981 г.); 12-й научной конференции преподавателей и сотрудников Куйбышевского государственного университета (1981 г.); Научном семинаре в Саратовском политехническом институте (1982 г.); Десятой Всесоюзной научной конференции "Электроника сверхвысоких частот" (Минск, 1983 г.); Заключительном туре конкурса научных работ молодых ученых Саратовского госуниверситета 1983 года (Рамзаев-ские чтения) (1983 г.); Научно-технической школе "Элементы и узлы радиоаппаратуры" на научно-техническом заседании-семинаре "Приборы с отрицательным сопротивлением в радиоэлектронных устройствах" (Москва, 1984 г.); Всесоюзном совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" (Саратов, 1985 г.); Научно-технической школе специалистов "Приборы с отрицательным сопротивлением и их применение в радиоэлектронике" (Москва, 1986 г.); Шестом Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия (Томск, 1987 г.); II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988 г.); III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991 г.); Всесоюзном совещании "Электроника: преобразователи информации" (Москва - Нижний Новгород, 1991 г.); Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои, 1991 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 14
г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения ЛПЭП-96" (Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997 г.); III Международной научно-технической конференции "Антешго-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи" (Воронеж, 1997 г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98" (Саратов, 1998 г.); Научной конференции Ульяновского государственного университета "Математическое моделирование физическігх, экономических социальных систем и процессов" (Ульяновск, 1998 г.); VI Международной научно-технической конференции "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1999 г.); Научных семинарах кафедры физики полупроводников Саратовского государственного университета.
Публикации
По материалам исследований, обобщенных автором в диссертации, опубликовано около 70 научных работ, в числе которых 23 статьи, 4 доклада, 9 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств на полезную модель РФ, одно учебное пособие, содержащее оригинальные результаты, полученные автором. Список основных опубликованных работ приведен в конце автореферата.
Результаты диссертации используются в разработагагых и читаемых автором курсах лекций "Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов", "Физика твердогелышгх параметрических приборов СВЧ", "Математическое моделирование физических и технологических процессов твердотельной электроники", "Полупроводниковая волновая электроника".
Личный вклад соискателя
Постановка всех основных задач, являющихся предметом исследований диссертации, принадлежит автору. Кроме того, автором диссертации проводился выбор методов решения всех задач, разработка алгоритмов и программ, обоснование методик экспериментов, получение всех теоретических и экспериментальных результатов и их анализ, разработка и конструирование приборов и устройств.
Общее направление и тематика диссертационного исследования выбрана автором во многом благодаря поддержке и под влиянием научных идей Заслуженного деятеля науки Российской федерации, чл.-корр. РАЕН, доктора технических наук, профессора Климова Бориса Николаевича и доктора физико-математических наук Иванченко Владимира Афанасьевича.
Автор особо признателен профессору Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета доктору физико-математических наук Барыбину Анатолию Андреевичу за содержательные и плодотворные научные стажировки (1989 г., 1993 г., 1994 г., 1997 г.). Полезные научные
консультации, дискуссии и творческое сотрудничество с профессором Ба-рыбиным А.А. имели большое значение для успеха исследований, проведенных в период с 1985 г. по 1999 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и 5 приложений, изложена на 364 страницах, включая 67 рисунков, 8 таблиц, список литературы, содержащий 279 наименований и включающий 62 ссылки на основные публикации автора по теме диссертации.
