Введение к работе
Актуальность проблемы
Применение в СВЧ-диапазоне полупроводниковых элементов создает реальные условия для дальнейшего прогресса в различных областях науки и техники.
Важным фактором, стимулирующим проведение исследований физических явлений в полупроводниках на СВЧ, является открытие новых эффектов, позволяющих разрабатывать «овые полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн, генерации и усиления высокочастотных колебаний.
При теоретическом описании и экспериментальных исследованиях взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми приборами оказывается необходимым рассматривать не только физические процессы, протекающие в полупроводниковых структурах при воздействии на них СВЧ-излучения, но и решать сложные задачи по нахождению распределения поля в электродинамической системе с полупроводгшковыми элементам. Стараясь более строго решить электродинамическую задачу, авторы часто представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрошенные модели. Взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами с учетом сложного характера его распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-снгнала к настоящему времени, попрежнему можно считать недостаточно изученным?
При описании свойств полупроводниковых структур на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольт-амперную хасактеристику, импеданс). Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах. В то же время ясно, что с. увеличением уровня воздействующей СВЧ-мошности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых структур.
Описание изменения вида вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур при воздействии на них высокого уровня мощности СВЧ-снгнала и теоретический расчет возникающих при этом участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением до настоящего времени не проводились. ~
Цель диссертационной работы
Изучение влияния СВЧ-излучения на вид вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур на основе р-и-переходов с учетом детектотшого
эффекта, разогрева свободных .доснтелей'заряда н зависимости импеданса полу-проводниковой структуры от уровня .мощности воздействующего на шк СВЧ-
сигнала.
Научная новизна
1.Впервые теоретически оп}юан экспериментально наблюдавшийся эффект возникновения отрнцательного_дііфференшіального сопротивлеши Л'-гипа на вольт-амперных характеристиках p^-t—я-диодных структур и структур на основе невырожденного />-»г-перехода -при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощностн.
-
Впервые экспериментально обнаружено наведение на вольт-амперных характеристиках диодов с невьфождепным />-л-переходом З-образных участков под действием СВЧ-излучения.
-
Впервые обнаружена взаимосвязь эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик г>-п-переходов в сильном СВЧ-поле.
-
Впервые обнаружено возникновение режима отрицательного дифференциального сопротивления н Переключения, при последовательном включении с туннельным диодом сопротивления, под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения.
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, корректностью упрошаю-ших допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям, соответствием результатов расчета эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением современной стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ, успешным использованием на практике приборов, в основу работы которых положены результаты проведенных исследований.'
Ирак і ическая значимость работы
Наведение отрицательного дифференциального сопротивления па вольт-
амперных характеристиках />-/-п-д»юдных структур и структур на основе.невы
рожденного «-«-перехода высоким уровнем СВЧ-мошности может быть исполь
зовано при создании генераторов к усилителей і управляемым СВЧ-полгч отри
цательным сопротивлением.
* Эффект возникновения на вольт-амперных характеристиках диодов с
невырожденным /)-п-переходом участков -тнла при воздействии на них СВЧ-
излучения, представляет интерес ках для понимания физики взаимодействия СВЧ-излучения с полупроводниковыми структурами, так и при определении условий эксплуатации полупроводниковых приборов на основе струкгур с р-п-переходом.
Обнаруженный эффект возникновения генерации и режима переключения в туннельном диоде при последовательном соединении сопротивления при подаче СВЧ-мощности при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения, позволяет создавать генераторы, включаемые и управляемые внешним СВЧ-сигналом. *
Основные положения, выносимые на защиту
-
Учет детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимое импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной ВЧ-мощности позволяет адекватно объяснить экспериментально наблюдшопгтйся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках р—і—п-щюшаа. структур и диодных структур на основе невырожденного р-я-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мошности.
-
Дополнительный нагрев кристалла диода при воздействии на него высокого уровня СВЧ-мощности не приводит к качественному изменению вида вольт-амперной'характеристики диода на основе нгвьфожденного р-гс-перехода при возникновении на ней падающего участка, а лишь вызывает его сдвиг в сторону меньших значений напряжения прямого смещения.
-
Воздействие внешнего СВЧ-снгнала на полупроводниковые структуры на основе невырожденных р-л-переходов может приводить к возникновению на вольт-амперных характеристиках диодов участков отрицательного дифференциального сопроть^ления S-~nna.
-
Эффективность умножения частоты диодов на основе невырожденных р-п-лереходов зависит от вида их вольт-амперных характеристик, качественным образом изменяющихся в сильном СВЧ-поле. Уровень мощности генерируемых гармоник на выходе умножительного диода максимальна при напряжениях смещения, соответствующих, экстремуму на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода в сильном СВЧ-поле.
5. При последовательном включении с туннельным диодом сопротивления
возможно возникновение режима отрицательного дифференциального сопро
тивления и переключения под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряже
ниях питания на диоде, не достигающих пикового значения.
Реализация результатов в яароїйгож х&зЯйстве .
Исследования вьшолнены в соответствии с грантамл Министерства общего и
профессионального образования РФ:.
'.994-1995 г.г. № 94-1-74 «Исследование влияния греющих СВЧ-полей на характеристики приборов с тз^ннеяьно-тонкими переходными слоями», № гос. Регистрации 01940005020;
« 1995-1997 г.г. № 95-3-67 (МИЭТ ТУ) «Исследование взаю лсвязи выходных характеристик приборов на основе актуалышх полупроводниковых элементов СВЧ-диапазоиа с параметрами полупроводниковых структур в слабых полях»;
« 1997-1999 г.г. № 97-5-3.2-24 "Исследование эффекта возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольттаишерных характеристиках р-/-н-диодных структур и диодных структур на основе />-л-перехода при воздействии на них СВЧ-могдности".
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на:
1. .IV Всерос. научно-тех, тсонф. с международным участием «Актуальные про-
' блемы твердотельной электроники и микроэлектроники» в Таганроге в 1997 г.
-
Всерос. межвуз. научной конф. «Совремешше проблемы электроники и радиофизики СВЧ», в Саратове в 1997 г.
-
междун. научно-тех. конф.. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98», в Саратове в 1998 г.
-
V Всерос. научно-тех. конф. с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», в Таганроге в 1998г.
-
"Conference Proceedings Mikon-98" в Кракове в 1998 г.
6 а также на научном семинаре кафедры физики твердого тела Саратовского госуниверситета.
Публикации ,
Опубликовано 2 статьи в центральных научно-технических журналах, текст доклада на международной научно-технической конференции в Польше MIKON-98, 4 тезиса докладов на республиканских научно-технических конференциях.
Личный вклад автора выразился в самостоятельном выводе расчетных соотношений, позволяющих описать экспериментальные результаты, выборе
математической модели, проведении всего объема расчетных si экспериментальных работ, участии в формульований научных выводов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, пяти разделов, имеющих подразделы. Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет IP страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 102 страниц, включая 25 рисунков. Список литературы состоит из 124 наименований и изложен на 11 страницах.
