Введение к работе
' .
Актуальность темы. К основным4 устойчивым тенденциям развития современной радиофизики относятся дальнейшее освоение миллиметрового диапазона длин волн (КВЧ-диапазона) и повышение используемых уровней мощности. В русле отмеченных тенденций находится исследование взаимодействия КВЧ электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлекгрическими структурами. *
К началу выполнения настоящей работы проведен большой объем теоретических и экспериментальных исследований по этим проблемам. Так, обстоятельно изучено распространение электромагнитных КВЧ — волн в электродинамических системах на основе металлических волноводов с полупроводниковыми элементами в линейном режиме. Много работ посвящено диэлектрическим волноводам КВЧ-диапазона, в том числе - на основе высокоомных полупроводниковых материалов и различным КВЧ-устроЙсгвам, включающим диэлектрические волноводы (ДВ). Имеется большой объем информации и по нелинейному взаимодействию сильной электромагнитной волны с полупроводниковой средой, в частности при разогреве и ударной ионизации'плазмы носителей заряда в полупроводнике электромагнитным полем волны.
Однако, распространение электромагнитных КВЧ-волн в электродинамических системах с частичным полупроводниковым заполнением.в условиях -концентрационной неоднородности полупроводниковой среды и в нелинейном режиме"оставалось малоисследованным.
"Изучение" такого'взаимодействия "актуально как"с точки зрения
развития радиофизических"методов исследования"применительно"к полупроводниковым средам, так и для создания устройотв коротковол- новойобласти СЗЧ и КВЧ-диапазонов.
Цель работы: исследование особенностей взаимодействия. КВЧ электромагнитных волн с плазмой" носителей заряда в тонких полупроводниковых элементах, расположенных в различных волноводах в условиях концетрационной неоднородности полупроводниковой среды и нелинейности полупроводникового элемента в сильном электромагнитном поле и анализ возможностей применения изучаемых физических эффектов для создания пассивных устройств коротковолновой области СЗЧ и КЗЧ-диапазона.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Впервые показано, что тонкий концентрационно-неоднородный в поперечном сечении полупроводниковый элемент, расположенный на поверхности'диэлектрического волновода, позволяет уменьшить суммарные потери электромагнитной энергии в КВЧ-диапазоне.
-
Показано, что в условиях ударной ионизации плазмы носителей заряда в полупроводнике постоянным напряжением поверхностная рекомбинация ионизированных носителей в тонких полупроводниковых элементах приводит к изменению на порядок и более модуля и резкому изменению фазы коэффициента отражения КВЧ электромагнитной волны от такого элемента. Наличие поперечного магнитного поля (индукция BQ= 0.2 - 0.3 Тл для материала InSh при длине волны Л = 8 мм) позволяет исключить существенное влияние поверхностной рекомбинации на электродинамические характеристики.
-
Модифицирован электродинамический метод расчета структуры электромагнитного поля в электродинамических системах применительно к прямоугольным металлическим .волноводам с тонкими нелинейными полупроводниковыми элементами. Метод, основанный на применении системы нелинейных дифференциальных уравнений'возбуждения электродинамических систем током, позволил провести электродинамические расчеты в приближении заданной поляризации электромагнитного поля.
-
Показано (теоретически и экспериментально), что совокупность тонких полупроводниковых элементов из1л>5б (2-3 элемента), размещенных в Е-плоскости прямоугольного волновода, один из которых находится в центральном сечении волновода или на расстоянии —- от узкой стенки, / а - размер широкой стенки волновода/'представляет физическую основу эффективных электрически регулируемых КВЧ устройств на высокие уровни импульсной ' мощности.
-
Получены приближенные аналитические соотношения для амплитуд кратных высших временных гармоник плотности тока в полупроводниковой среде при одновременном воздействии ионизирующего постоянного напряжения и сильной электромагнитной волны.
Положения и результаты, выносимые на'защиту I. Тонкий полупроводниковый элемент (с толщиной, не превышающей глубину скин-слоя электромагнитной волны в'полупроводниковом материале), расположенный на поверхности диэлектрического
волновода, позволяет получить при определенных условиях максимальную локализацию "электромагнитного поля в ДВ, что приводит к уменьшению суммарных потерь энергии, а именно: минимизации потерь энергии на излучение вне волновода при небольшом увеличении потзрь на распространение. Эффект реализуется в частотном диапазоне при выполнении условий полного внутреннего отражения электромагнитной энергии плазмой носителей заряда в полупроводнике.
-
Результаты расчета амплитуд кратных высших временных гармонических составляющих (ВГС) плотности тока и результаты расчетов и измерений мощности на ВГС при спектральном преобразовании, обусловленном ударной ионизацией в полупроводниковой среде. Результаты показывают, что относительная интегральная величина мощности на ВГС в спектре прошедшего электромагнитного сигнала после нелинейного взаимодействия с плазмой носителей заряда в In SB 'в КВЧ-диапазоне составляет 1-2%.
-
Устройства СВЧ и КВЧ-диапазона с тонкими полупроводниковыми элементами на основе исслздованных физических эффектов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение: диэлектрический волновод; ограничитель мощности; устройство для измерения СЗЧ-мощности.
Практическая значимость работы состоит в том, что предложена и обоснована новая конструкция диэлектрического волновода с полупроводниковым элементом, и разработаны физические основы ограничительного устройства на высокие уровни импульсной КВЧ-мощности. Разработанный лабораторный макет ограничительного устройства позволил получить параметры, не уступающие PIN диодным аналогам.
\
- б -
Результаты работы применяются в НИРах, проводимых в НИИ "Волна" г. Саратова и НИИМ$ Саратовского университета, 'а также в ' учебных курсах, читаемых студентам Ч курса специальности радиофизика и электроника физического факультета Саратовского горуни-верситета им. Н.Г. Чернышевского.
Достоверность выводов диссертации подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных результатов, использованием распространенных и апробированных методов математической физики и численных методов при теоретических исследованиях,, соответствием полученных результатов с известными из литературы контрольными случаями.
Апробация работы. Результаты работы'апробированы на следующих Всесоюзных конференциях и семинарах: Всесоюзная школа-семинар "Поверхностные волны в твердом теле" (г. Новосибирск, 1982 г.); Всесоюзная конференция "Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах", (г. Саратов, 1983 г.), Всесоюзная конференция и школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн -с полупроводниками и полу-проводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания ' интегральных КВЧ-схем", (г. Саратов, 1985" г.). Одиннадцатая Всесоюзная научная конференция "Электроника сверхвысоких частот", (г. Орджоникидзе (Владикавказ), 1986 г.); П-ая Всесоюзная конференция "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ-схем, (г. Саратов, 1988 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах", (г. Тбилиси, 1988 г.); Ш Всесоюзное совещание "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупро- , водниковых структурах", (г.'Вильадс, 1989 г.); Всесовзный симпо- . аиум "Волны и д«фракция-90", (г. Винница, 1990 г.), Ш-.Л Всесоюзная конференция "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (г. Саратов, 199I), и на научных семинарах кафедры электроники Саратовского государственного университета и НИИ "Волна" (г. Саратов,' І988-І99І гг.).
Публикации. Основные материалы работы опубликованы в ІЦ- статьях и теїнсах докладов, по ним получены три авторских свидетельства на изобретения. Спиеоя публикаций приведен в конце ав-
t і
1 «
тореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация- состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст содержит 133 страницы машинописного текста. Число рисунков 48 на 42 страницах. Список литературы IV2 наименования. Общий объем диссертации 188 страниц.
