Введение к работе
Актуальность темы
Одним из важных направлений в современной физике является исследование колебательных и волновых процессов в твердых телах . Особенно большое внимание уделяется изучению волновых процессов в активных средах. Данное направление имеет как фундаментальное, так и прикладное значение, поскольку понимание особенностей волновых процессов в этих средах дает возможность построения адекватных математических моделей для их изучения, а также открывает перспективы для создания новых и совершенствования известных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.
К основным устойчивым тенденциям современной твердотельной электроники относятся повышение рабочих частот приборов и устройств, а также стремление ко все большей миниатюризации и интеграции функций элементов в пределах одной монолитной схемы. Поэтому, в настоящее время большой интерес вызывает разработка твердотельных СВЧ устройств, содержащих активные элементы с распределенными параметрами. Это определяется современными тенденциями развития СВЧ электроники и связано с потребностью в твердотельных устройствах, способных осуществлять формирование и обработку сложных информационных сигналов. Одно из современных направлений микроэлектроники - функциональная микроэлектроника, использующая для обработки сигналов не статические, а динамические неоднородности, возбуждаемые внеш-
ними воздействиями .
Среди разделов функциональной микроэлектроники наиболее развитым в научном и техническом аспектах является акустоэлектроника. В частности, устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) применяются в различных радиоэлектронных системах обработки сигналов для решения многих радиотехнических задач . Однако, рабочие частоты устройств на ПАВ не превышают единиц гигагерц.
Устройства на волнах пространственного заряда (ВПЗ) в полупроводниках обладают широкими функциональными возможностями, которые аналогичны возможностям акустоэлектронных устройств, но превосходят их по рабочим частотам более чем на порядок .
Базовым элементом функциональных устройств на ВПЗ в полупроводниках можно считать тонкопленочный усилитель бегущей волны (ТУБВ), который конструктивно представляет собой тонкопленочную полупроводниковую структуру (ТПС) с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП), обусловленный междолинными переходами. ТУБВ может выполнять в СВЧ диапазоне такие радиотехнические функции, как усиление, генерация, задержка и изменение фазы сигналов и др. Однако, созданные к настоящему времени устройства на ВПЗ имеют все же сравнительно низкий частотный предел работы (-15 ГГц).
Исследованиями установлено, что верхний частотный предел усиления бегущих ВПЗ в ТПС с ОДП (а, следовательно, и верхний частотный предел ТУБВ) может быть увеличен, по крайней мере, двумя путями. Во-первых, применением новых материалов вместо традиционного n-GaAs. И, во-вторых, использованием механизма параметрического взаимодействия ВПЗ при низкочастотной накачке , что наряду с увеличением верхнего частотного предела позволяет пополнить перечень возможных функций ТУБВ следующими: преобразование частоты, смешение со сдвигом частоты, фильтрация,
1 Инфелъд Э., Роуландс Дж. Нелинейные волны, солитоны и хаос. - М.: Физматлит, 2006. - 484 с.
2 Щука АЛ. Функциональная электроника // Успехи современной радиоэлектроники. - 2004. - № 5-6. - С. 149-168.
3 Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника // УФН. - 2005. - Т. 175, № 8. - С. 887-895.
4 Щука А А. Функциональная электроника: Учебник для вузов. - М.: МИРЭА, 1998. - 260 с.
5 Барыбин А.А., Михаилов А.И. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных
полупроводниковых структурах // ЖТФ. - 2000. - Т. 70, вып. 2. - С. 48-52.
управляемая перестройкой частоты накачки.
В настоящее время большая часть теоретических и все экспериментальные работы по распространению и взаимодействию ВПЗ в ТПС с ОДП выполнены для структур на основе n-GaAs, относительно небольшое количество теоретических работ посвящено п-InP. Данные по оценке перспектив использования n-GaN для создания устройств на параметрическом взаимодействии ВПЗ в литературе отсутствуют.
При разработке и конструировании функциональных устройств на ВПЗ в ТПС с ОДП для миллиметрового диапазона особое значение приобретают работы по оптимизации конструктивно-топологических и электрофизических параметров ТПС и элементов возбуждения ВПЗ, поскольку именно в этом диапазоне находится верхняя граничная частота усиления ВПЗ. Поэтому актуальной является задача построения адекватных теоретических моделей для изучения влияния различных факторов на характеристики возбуждения, распространения и взаимодействия ВПЗ в тонкопленочных структурах с
одп.
К моменту начала работы над диссертацией данных об экспериментальных исследованиях параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниковых структурах с ОДП в миллиметровом диапазоне в литературе не обнаружено.
Целью работы является выяснение особенностей спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InPwm n-GaN, анализ влияния параметров накачки, а также диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов и размеров полупроводниковой структуры на характеристики распространения и взаимодействия волн пространственного заряда, определение конкретных подходов и рекомендаций по конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках.
Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:
Анализ перспектив применения n-GaAs, п-ІпРи n-GaNs устройствах на волнах пространственного заряда.
Рассмотрение особенностей влияния диффузии и частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов, а также концентрации электронов в пленке n-GaAs, п-ІпРи n-GaNna. характеристики распространения волн пространственного заряда.
Всесторонний анализ влияния параметров накачки, а также размеров полупроводниковой структуры на эффективность спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах на основе n-GaAs, п-ІпРи n-GaN.
Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на основе n-GaAs в 8-мм диапазоне.
Теоретическое и экспериментальное изучение эффективности преобразования электромагнитного сигнала в волну пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре и обратно.
Научная новизна. При проведении теоретических и экспериментальных исследований установлены физические закономерности, дающие новые сведения о механизме параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП.
Установлена степень влияния частоты и мощности накачки, а также частоты сигнала и конечных размеров исследуемой структуры на «изрезанность» (количество максимумов и минимумов) зависимостей коэффициентов параметрического усиления и преобразования волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала.
Впервые проведен анализ перспектив использования n-GaN для создания устройств на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда. Показано, что применение n-GaN позволит создавать более мощные и эффективные устройства данного типа вплоть до 4-мм диапазона, перестраиваемые частотой и амплитудой накачки.
Определены границы применимости линейного приближения для анализа распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в структурах n-GaAs при низкочастотной накачке.
Впервые проведено экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП в 8-мм диапазоне.
Показана возможность эффективного управления спектральным преобразованием при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП изменением параметров накачки.
Проанализирована предложенная конструкция преобразователя частоты миллиметрового диапазона на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП с выходным элементом связи в виде частотно-избирательной встречно-штыревой системы полосковых контактов с барьером Шоттки.
Практическая значимость работы. Выработаны конкретные подходы и рекомендации по разработке и конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с ОДП. Построены модели, позволяющие рассчитывать геометрические размеры элементов связи, служащие для преобразования электромагнитных сигналов в ВПЗ и обратно, а также рассчитывать оптимальные параметры и характеристики полупроводниковых структур для устройств на ВПЗ для каждой из трех областей: области возбуждения ВПЗ, пролетной области и области преобразования ВПЗ в электромагнитный сигнал таким образом, чтобы на выходе устройств амплитуды всех паразитных спектральных составляющих были пренебрежимо малыми по сравнению с амплитудой полезного сигнала.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы при разработке приборов и устройств в рамках НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ.
По результатам исследований получено 2 патента РФ и свидетельство на полезную модель.
Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе (лекционный курс «Полупроводниковая волновая электроника» и семинарские занятия по курсу «Твердотельная электроника» для студентов ФНБМТ СГУ).
Основные положения, выносимые на защиту
Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках л-типа с отрицательной дифференциальной проводимостью может заметно (до 40 % для n-GaAs, до 10 % для п-1пР) отличаться от дрейфовой скорости электронов. Это особенно важно для полупроводниковых материалов с большим коэффициентом диффузии (более 100 см /с) и при концентрациях электронов в полупроводниковой структуре более 5-10 м" .
Геометрические размеры (толщина и длина я-слоя) структур на основе n-GaAs, п-InP или n-GaN, а также их асимметрия являются причиной возникновения «изрезанно-сти» (некоторого количества выраженных экстремумов) на зависимостях коэффициентов параметрического усиления и преобразования от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала. Уменьшение частоты накачки и/или сигнала и увеличение
амплитуды накачки приводят к увеличению числа таких экстремумов. 3. Для эффективного преобразования электромагнитных сигналов в волны пространственного заряда в полупроводниковых структурах л-типа возможно применение одиночных металлических полосковых контактов с барьером Шоттки с малым значением контактной разности потенциалов (не более 0,2-Ю,3 В), а концентрация носителей заряда в л-слое полупроводника под входным элементом связи и ширина полоскового контакта должны быть оптимизированы для частоты слабого входного сигнала. Использование встречно-штыревого преобразователя на выходе полупроводниковой структуры на волнах пространственного заряда позволяет получить качественную фильтрацию полезного преобразованного сигнала и подавление паразитных частотных составляющих.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1994 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96» (г. Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузововской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (г. Саратов, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98» (г. Саратов, 1998 г.); VI Международной научно-технической конференции «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1999 г.); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Саратов, 2003 г.); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2003 г.); VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 r.);VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.); XI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Дагестан, 2009 г.); VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы современной науки и образования» (г. Сибай, 2010 г.); II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010 г.), Научных семинарах кафедры физики полупроводников СГУ.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены дипломом, как лучшая работа секции «Математические методы в технических и инженерных приложениях» II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века».
Публикации. Материалы диссертации изложены в 38 печатных работах, в их числе 11 статей в реферируемых журналах (7 статей списка ВАК), 2 патента РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 14 статей в сборниках, 1 учебное пособие.
Личный вклад соискателя состоит в разработке математических моделей и программ для исследования возбуждения, распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в структурах на основе n-GaAs, п-ІпР и n-GaN, проведении экспериментальных исследований, анализе и обработке полученных результатов. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 177 страниц машинописного текста, в их числе 54 рисунка, 3 таблицы, в списке литературы 226 наименований.
