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 фазочастотных 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 мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на GaAs-TYTUI в схеме вычитания сигналов 59
2.4.3. Результаты экспериментальных исследований синхронизированного генератора на GaAs-UTUl 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
- 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 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, лавинно-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 на 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 яг/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-электроники, 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 металлодиэлектрических 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. 20.01.200О-
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.Б., 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
Из представленных на рис. 1.1 вольтамперных характеристик туннельного диода при различных уровнях мощности внешнего СВЧ-сигнала видно, что, как уже было отмечено выше, воздействие внешнего СВЧ-сигнала приводит к качественному изменению характеристик активного элемента рассматриваемого генератора. А это, в свою очередь, приводит, как показывают расчеты, к качественному изменению выходных характеристик генератора на туннельном диоде.
Расчеты, выполненные с использованием вышеприведенной модели, показали, что в отсутствии внешнего СВЧ-сигнала спектр выходного сигнала генератора на туннельном диоде определяется параметрами эквивалентной схемы и режимом питания активного элемента. Рассчитанное значение частоты основной гармоники выходного сигнала составляло 1.5 ГГц. Отклонение формы СВЧ-тока в нагрузке от гармонического закона (рис. 2.2, а) вызывает присутствие в спектре выходного сигнала достаточно большой по амплитуде второй гармоники (рис. 2.2, б). Соответствующий фазовый портрет приведен на рис. 2.2, в.
При подаче на туннельный диод СВЧ-сигнала с частотой, существенно превышающей частоту собственных колебаний, наблюдается изменение его вольтамперной характеристики, связанное с уменьшением туннельной, резким увеличением диффузионной и незначительным увеличением избыточной компоненты полного тока туннельного диода, вследствие разогрева свободных носителей заряда [2,31, 64, 125]. Это приводит к существенному изменению выходных характеристик генератора. Численное моделирование динамики генератора показало, что при воздействии на туннельный диод внешнего СВЧ-сигнала с частотой, не кратной частоте автоколебаний, наблюдается режим асинхронных колебаний. При увеличении мощности внешнего СВЧ-сигнала форма СВЧ-тока в нагрузке усложняется (рис. 2.3), наблюдается монотонное перераспределение мощности автоколебаний между основной и второй гармониками при некотором уменьшении суммарной выходной мощности (рис. 2.4), отображение последова-ния Пуанкаре образует на фазовой плоскости замкнутую кривую (рис. 2.5).
При дальнейшем увеличении мощности внешнего СВЧ-сигнала на вольт-амперной характеристике туннельного диода (кривые 5, 6, 7 на рис. 1.1) наблюдается постепенное исчезновение участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, приводящее к резкому уменьшению амплитуд как первой, так и второй гармоник выходного сигнала (рис. 2.4).
При уровне мощности внешнего СВЧ-сигнала —1.0—1.5 мВт автоколебательный режим генератора на туннельном диоде исчезает, а в спектре выходного сигнала на нагрузке присутствуют только составляющие, обусловленные воздействием внешнего СВЧ-сигнала (рис 2.4, е); отображение последования Пуанкаре представляет собой в этом случае точку на фазовой плоскости (рис. 2.6).
В случае же предположения о неизменности ВАХ туннельного диода спектральные составляющие, обусловленные наличием автоколебательного режима, не претерпевают никаких изменений до значений мощности внешнего СВЧ-сигнала, равных 15мВт (см. рис. 2.7, кривая 2). Следует отметить, что дальнейшее увеличение мощности внешнего СВЧ-сигнала до 50мВт приводило к уменьшению амплитуды собственных колебаний, известному как режим асинхронного подавления вследствие снижения средней крутизны характеристики активного элемента [168].
Таким образом, в результате построения модели генератора на туннельном диоде, учитывающей изменение вида вольтампернои характеристики диода при воздействии внешнего СВЧ-сигнала вследствие разогрева свободных носителей заряда и появления продетектированного сигнала, описана динамика перехода от режима автоколебаний через режим асинхронных колебаний к режиму подавления автоколебаний вследствие исчезновения области отрицательного дифференциального сопротивления на вольтампернои характеристике при относительно низких уровнях мощности внешнего СВЧ-сигнала. Показано, что учет изменения вида ВАХ туннельного диода при воздействии внешнего СВЧ-сигнала позволяет адекватно описать наблюдавшиеся экспериментально уменьшение генерируемой мощности и последующий срыв автоколебаний в генераторе на туннельном диоде с ростом уровня мощности внешнего СВЧ-сигнала.
Модель синхронизированного генератора на диодном полупроводниковом элементе с отрицательным дифференциальным сопротивлением была предложена в работах [60-62]. Однако в этих работах не была рассмотрена схема вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора — на общей нагрузке, представляющая значительный интерес для разработки новых методов управления выходным сигналом полупроводниковых СВЧ-генераторов и новых высокочувствительных методов измерения параметров материалов и структур [41, 42, 78-81, 86, 89-92, 95-98, 100].
Модель, используемая при расчете
Рассмотрим модель одноконтурного диодного синхронизированного генератора с резистивным активным полупроводниковым элементом (рис. 1.3), вольтамперная характеристика которого обладает участком отрицательной дифференциальной проводимости G(U)y зависящей от амплитуды переменного напряжения по квадратичному закону [151, 155]: GA(u)=GA0 + aU\ (2.12)
Амплитудно-частотные у(х) и фазочастотные р(х) характеристики такого синхронизированного генератора описываются уравнениями [61, 151]: y[(y-l)2+x2\=F, (2.13) fcp = - т. (2-14) у-\
При рассмотрении генераторов СВЧ-диапазона существенное значение для практики имеют мощностно-частотные характеристики активного элемента, то есть зависимости мощности первой гармоники Рх{х), генерируемой активным элементом, от величины частотной расстройки Af = f-f0 частоты / синхросигнала от частоты /0 собственных колебаний генератора.
Величина мощности первой гармоники Р19 генерируемой активным элементом, определяется соотнощением ф) = 0.5фР = МС - У I =G(Up -колебательная характеристика активного резистивного элемента.
Нормированная мощность;,, отдаваемая активным элементом, определя -R.v = - Ly + ( -l)y2, где P0=0.5G0Ui -ется соотношением P\- f Qy G0 {G0 J мощность автономного генератора.
При согласовании внутренней проводимости источника синхросигнала с проводимостью нагрузки и волновой проводимостью линии передачи в отражательной схеме мощность синхронизирующего сигнала Р, величина П стоянная и не зависит от частотной расстройки. для расчета выходной мощностно-частотиой характеристики генератора , (,) воспользуемся условием баланса активных мощностей для основной гармоники сигнала в стационарном режиме, записанным для нормированных ве личин [61,151]: „2 Pm, = -Pt Ps Ps _ F = 5а _ нормированные мощности синхросигнала и Т№ Ps=Ta W F сигнала на нагрузке С„ соответственно.
Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора в схеме вычитания сигналов
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 iS" — площадь поперечного сечения диода, щ и //0 концентрация и подвижность свободных носителей заряда в полупроводниковой структуре диода, d — длина диода, Vs — дрейфовая скорость насыщения свободных носителей заряда, D=0 при U U„, D=2 В при U U„. Расчеты, проведенные в [169], свидетельствуют о возможности применения данной зависимости /(/) 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 многоконтурного 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 на рис. 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 Я,, корпус диода L,, С4, СВЧ-контур диода, представленный в виде параллельного Lx, С, и последовательного L2, С2 контуров, эквивалентную проводимость нагрузки на выходе мостовой схемы Yi, цепь питания диода Ганна, состоящую из источника напряжения Eg, дросселя L5 и сопротивления R2, СВЧ-контур генератора синхросигнала, содержащий источник переменного сигнала Es, сопротивление Rj и последовательный L4, С5 контур.
Эквивалентная схема описывается системой из десяти обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, составленных на основе законов Кирхгофа:
В результате численного решения системы дифференциальных уравнений определялась зависимость мгновенных значений тока в нагрузке Yi как функция времени ii(t). С использованием разложения временной зависимости //,(/) в ряд Фурье рассчитывались гармонические составляющие тока в нагрузке, определялись их амплитуды и рассчитывались мощности гармоник на выходе синхронизированного генератора на диоде Ганна с использованием соотношения: PkL = - -; где ikL = д/я + Ьк — амплитуда гармонических составляющих тока в 2YL нагрузке, ак = —\iL(t) cos kcot dt, bk =— \iL(t)s mkcot dt, к — номер гармоники, Т=2л/со— период колебаний.
Результаты расчета мощностно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала в нагрузке синхронизированного генератора на диоде Ганна в схеме вычитания сигналов На основе вышеприведенной модели были проведены расчеты мощностно-частотных характеристик СГДГ. Выбором параметров элементов эквивалентной схемы (С,=0.1 пФ, 1,=0.2 нГн, С2=0.5 пФ, С3=0.37 пФ, С4=0.6 пФ, С5=0.5 пФ, /,2=0.2 нГн, Ly=0.6 нГн, Z,4=0.1 нГн,) и режима питания диода Ганна (Eg=9 В) были получены МЧХ основной гармоники выходного сигнала СГДГ на нагрузке YL, обладающие минимумом в полосе синхронизации, что соответствует результатам эксперимента и аналитической модели.
Результаты расчета МЧХ и ФЧХ основной гармоники выходного сигнала многоконтурного СГДГ для различных значений мощности синхросигнала представлены на рис. 2.13.
Как видно из представленного рисунка, при определенном значении мощности Ps = Pso синхросигнала на частоте, соответствующей минимуму МЧХ, наблюдается максимальное подавление мощности выходного сигнала в нагрузке (рис. 2.13, а). На фазочастотных характеристиках в окрестности минимума МЧХ наблюдается быстрое (вплоть до скачкообразного) изменение фазы выходного сигнала на величину п (рис. 2.13, б). При меньших значениях мощности синхросигнала скорость изменения фазы на ФЧХ в окрестности минимума МЧХ положительна и увеличивается по мере приближения Ps к Ps0. При превышении
Ps значения Pso скорость изменения фазы в окрестности минимума МЧХ скачком изменяет знак с положительного на отрицательный. Дальнейшее увеличение Ps приводит к уменьшению скорости изменения фазы на фазочастотной характеристике.
При фиксированной частоте синхросигнала изменение мощности синхросигнала приводит к значительному изменению мощности выходного сигнала на общей нагрузке. При этом изменение фазы выходного сигнала с изменением мощности синхросигнала достигает п.
При проведении экспериментальных исследований в одном из плеч мостовой схемы (см. рис. 2.8) размещался источник синхросигнала, в качестве которого использовался СВЧ-генератор типа Г4-83, а в другом — генератор на диоде Ганна типа ЗА703. 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.
Выбором напряжения питания диода Ганна, уровня мощности, частоты синхросигнала и подстройкой элементов мостовой схемы удалось реализовать режим вычитания синхросигнала и выходного сигнала генератора на диоде Ганна на общей нагрузке. При изменении частоты синхросигнала в полосе синхронизации наблюдалось изменение мощности основной гармоники сигнала на выходе мостовой схемы в нагрузке, величина которого достигала 40 дБ (рис. 2.14).
На рис. 2.14 приведены результаты измерения МЧХ основной гармоники сигнала P\L/PQ на выходе мостовой схемы в нагрузке, при работе генератора в режиме синхронизации, для различных значений мощности Ps синхросигнала. Сплошная кривая соответствует условию Ps=Pso, при котором наблюдается максимальное гашение выходного сигнала.
Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что чувствительность сигнала на выходе мостовой схемы на частоте, соответствующей минимуму МЧХ, может достигать 15 дБ/мВт.
Одним из основных типов полупроводниковых приборов, использующихся в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ, является арсенид-галлиевый полевой транзистор с барьером Шоттки. Поэтому исследование работы синхронизированного генератора на GaAs-ІПШ в схеме вычитания сигналов представляет значительный интерес.
Теоретический анализ работы генератора на арсенид-галлиевом полевом транзисторе с барьером Шоттки схеме вычитания когерентных сигналов основывался на математическом описании процессов в многоконтурной эквивалентной схеме, представленной на рис. 2.15
Управление выходным сигналом синхронизированного генератора на диоде Ганна изменением напряжения питания
Рассмотрим СВЧ-генератор, блок схема которого представлена на рис. 3.1. При напряжении питания диода Ганна Ud, значительно превышающем пороговое, увеличение Ud приводит к изменению величины отрицательной дифференциальной проводимости -GA=qn0dv(E)/dE, (3.1) где V(E) = Vo+vs \E J + — зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля Е, E = Ud/Ld, д, =0.6м2/В-с; vs =8.5-104м/с; Еп = 4-10SB/M; Ld =10мкм — длина диода, q — заряд электрона, п0 — концентрация ионизированных доноров [4, 5]. Изменение GA, в свою очередь, приводит к изменению амплитуды собственных колебаний автономного генератора U0 и его выходной мощности.
Если частота генерации диода Ганна / близка к пролётной, то её можно найти из соотношения г = V\U I/LJ) . В то же время / = 1 IK-JLC , где іиС — индуктивность и ёмкость одноконтурного генератора. Тогда зависимость ёмкости С одноконтурного генератора на диоде Ганна от напряжения питания диода Ганна Ud может быть определена из соотношения: Ф )= гц п v (3-2) 4л- v {Ud/Ld)L
Мощность, выделяемая на нагрузке GL, при вычитании на ней выходного сигнала автогенератора и воздействующего синхросигнала в полосе синхронизации зависит, согласно (2.17) и (2.18), от частоты и мощности автогенератора, поэтому изменение напряжения питания диода Ганна, приводящее даже к незначительному изменению частоты и мощности [4, 5, 175] синхронизируемого генератора, вызывает резкое изменение мощности выходного сигнала при его фиксированной частоте.
Результаты расчета зависимости выходного сигнала синхронизированного генератора на диоде Ганна от напряжения питания
Результаты расчета нормированных на выходную мощность автономного генератора мощностно-частотных PL(x)/P0 и фазочастотных у/(х) (в полярной системе координат) характеристик сигнала на нагрузке GL при протекании тока IL при различных значениях напряжения питания диода Ганна, выполненные с использованием соотношений (2.17) и (2.18) и (2.20), представлены на рис. 3.2 а и б. Из результатов расчетов следует, что в режиме вычитания когерентных сигналов при фиксированной мощности синхросигнала изменение напряжения питания диода Ганна на единицы процентов от номинального значения приводит к изменению положения минимума на МЧХ (рис. 3.2, а). При этом скорость изменения фазы на ФЧХ в окрестности минимума МЧХ с ростом напряжения питания диода Ганна может изменить знак (сплошная кривая на рис. 3.2, б).
При фиксированной частоте синхросигнала изменение напряжения питания активного элемента Ud приводит к значительному изменению выходной
мощности на нагрузке в схеме сравнения (рис. 3.3, а) и фазы выходного сигнала (рис. 3.3, б). Из этих результатов следует, что выбором величины расстройки х и диапазона изменения напряжения питания диода Ганна может быть получен как монотонный, так и немонотонный характер зависимости PL/PQ(UJ). При этом изменение фазы выходного сигнала с ростом напряжения питания диода Ганна на величину 0,1 В может достигать значения л (сплошная, штриховая и пунктирная кривые на рис. 3.3, б в полярной системе координат). Выбором частоты и мощности синхросигнала можно добиться изменения выходной мощности гене ратора более чем на 40 дБ на фиксированной частоте выходного сигнала при изменении напряжения питания Ud на 0.15 В.
Результаты экспериментальных исследований зависимости выходного сигнала синхронизированного генератора на диоде Ганна от напряжения питания
При проведении экспериментальных исследований в одном из плеч мостовой схемы (см. рис. 3.1) размещался источник синхросигнала, в качестве которого использовался СВЧ-генератор типа Г4-83, а в другом — генератор на диоде Ганна типа ЗА703. 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. 3.4 приведены результаты измерения МЧХ при фиксированной мощности синхросигнала для различных напряжений питания активного элемента генератора на диоде Ганна. При напряжении питания диода Ганна, равном 7.5 В, был реализован режим максимального вычитания сигналов на общей нагрузке. Из результатов, приведенных на рис. 3.4, следует, в частности, что изменение напряжения питания приводит к изменению положения минимума на МЧХ.
Поскольку в окрестности частоты, соответствующей минимуму МЧХ, исследуемое устройство обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к изменению собственной частоты и мощности генератора, то при фиксированной частоте синхросигнала изменение напряжения питания Ud на 0.2 В приводит к значительному, до 40 дБ, изменению выходной мощности результирующего сигнала на общей нагрузке (рис. 3.5). В то же время такое же изменение напряжения питания генератора на диоде Ганна, работающего в автономном режиме, вызывает лишь незначительное изменение мощности ( 0.5 дБ) и частоты ( 5 МГц) выходного сигнала.
Использование синхронизированных генераторов для измерения параметров диэлектриков
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 Г и отражения R исследуемой структуры, из решения уравнений (4.1) и (4.2) можно определить значение электропроводности пленки тх.
Использование полученного значения электропроводности пленки сг,, 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.
Работа в режиме автодинного детектирования основана на нелинейном взаимодействии отраженной электромагнитной волны с источником этих волн. При взаимодействии отраженной электромагнитной волны с активным элементом в цепи питания последнего возникает дополнительная составляющая постоянного тока.
При приложении контролируемого образца к измерительной площадке СВЧ-датчика происходит изменение эффективной нагрузки СВЧ-генератора, т.е. изменяется амплитуда и фаза отраженной электромагнитной волны. Амплитуда и фаза отраженной электромагнитной волны определяется толщиной и электрическими свойствами измеряемого образца. С изменением амплитуды и фазы отраженной волны изменяется величина дополнительной составляющей постоянного тока в цепи питания активного элемента СВЧ-датчика.
Для измеряемой пленки с заданными электрофизическими параметрами существует однозначное соответствие между ее толщиной и величиной дополнительной составляющей постоянного тока (напряжения) в цепи питания активного элемента.
Разработанные измерители (рис. 4.9) позволяют контролировать толщину проводящих пленок, нанесенных на полупроводниковую или диэлектрическую подложку, в диапазоне значений 0.01-10 мкм.
Как было отмечено выше, для настройки СВЧ-толщиномера типа СИТ-40 используются калибровочные образцы, проводимость и толщина металлических покрытий которых определяется с использованием описанных выше СВЧ- и интерференционного методов измерений. Поскольку погрешность измерения толщины калибровочных образцов описанным выше методом и инструментальная погрешность, которая определяется воспроизводимостью результатов измерений, не превышает ±2%, то при использовании калибровочных образцов для настройки СВЧ-толщиномера величина погрешности измерений СВЧ-толщиномера по существующим требованиям должна быть увеличена в три раза, и не превышает ±6%. В соответствии с этим погрешность измерения толщины с помощью толщиномера типа СИТ-40 не превышает ±10%.
