Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное исследование l/F-шума в полупроводниках началось более 30 лет тому назад, однако, интерес к этому явлению не снижается до сих пор. Проблемы l/F-шума обсуждаются на международных конференциях, в частности, на регулярно проводимой конференции «Noise in Physical Systems an 1/f fluctuations»; в 1996 г. была организована конференция «Unsolved Problems of Noise», в программе которой доклады, посвященные l/F-шумам, заняли более половины места. Внимание к l/F-шуму обусловлено сложностью объяснения его физической природы и проявлений, а также тем, что этот, сугубо низкочастотный, шум ограничивает чувствительность усилительных устройств на низких частотах и, модулируя колебания генераторов любого частотного диапазона, ухудшает их кратковременную стабильность. Одной из малоисследованных является проблема источников и поведения l/F-шума в сильных электрических полях. Помимо физического интереса, она имеет большое практическое значение, поскольку ряд современных микроволновых полупроводниковых приборов работает в условиях сильных и очень сильных полей (субмикронные полевые транзисторы, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД)). К сожалению, освещение этой проблемы в литературе недостаточно. Предложенные модели источников l/F-шума в сильных полях не согласуются друг с другом, экспериментальные факты не нашли полного объяснения.
Целью работы является исследование источников l/F-шума в ЛПД. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:
Теоретическое исследование l/F-шума ЛПД в статическом режиме работы на основе модели двух независимых источников l/F-шума: флуктуации концентрации заряженных центров (ловушек) и флуктуации насыщенной скорости дрейфа носителей заряда из-за рассеяния на нейтральных метастабиль-ных центрах.
Теоретическое исследование модуляционных (амплитудных и частотных) шумов в генераторах на ЛПД с использованием упомянутой в п. 1 модели источников l/F-шума, а также с учетом конечности величины балластного сопротивления и эффекта автосмещения.
Сравнительный анализ модуляционных l/F-шумов в генераторах на прохолотых и непроколотых ЛПД.
Разработка методики определения интенсивности (спектральной
плотности) источников l/F-шума по экспериментальным данным.
Сопоставление результатов анализа модуляционных l/F-шумов в ге
нераторах на ЛПД с экспериментом.
Экспериментальное исследование влияния освещения лавинно-пролет-
ных диодов на их l/F-шум с целью выяснения роли ловушек в его формиро
вании.
Объектами исследования являются однопролетные ЛПД из арсенида галлия с барьером Шоттки и однородным легированием базы.
Основные методы исследования. При решении задач анализа l/F-шума в ЛПД использовались теория случайных процессов, теория электронных процессов в ЛПД, методика измерения низкочастотных шумов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
l/F-шум в ЛПД из арсенида-галлия вызывается двумя независимыми источниками: хаотическим перезарядом ловушек и флуктуациями насыщенной скорости дрейфа носителей заряда, возникающими при рассеянии носителей на нейтральных метастабильных центрах. Рассеяние на ловушках дает пренебрежимо малый вклад в формирование l/F-шума.
-
Основным механизмом флуктуации частоты колебаний в генераторах на непроколотых ЛПД является хаотическая модуляция емкости диода, обусловленная перезарядом ловушек. Флуктуации амплитуды колебаний связаны, главным образом, с хаотической модуляцией угла пролета носителей заряда, вызываемой флуктуациями скорости дрейфа. Низкочастотные флуктуации напряжения на диоде так же, как и флуктуации частоты обусловлены, в основном, флуктуациями заряда ловушек.
-
Корректное описание флуктуации колебаний в генераторах на арсе-нид-галлиевых ЛПД возможно только на базе модели, предполагающей два некоррелированных источника l/F-шума (см. п. 1). Теоретические модели, в которых предполагается единственный источник l/F-шума, существенно расходится с экспериментом.
-
Эффект автосмещения и флуктуации тока питания диода могут существенно влиять на флуктуации амплитуды и частоты колебаний только при малом значении балластного сопротивления. При большой величине последнего, характерной для реальных генераторов на ЛПД, с этими факторами можно не считаться.
-
Экспериментальное исследование влияния освещения на флуктуации напряжения на диоде прямым образом указывают на участие ловушек в формировании l/F-шума в ЛПД и косвенно - на существование второго источника l/F-шума, не чувствительного к свету.
Научная новизна работы:
Разработана теория l/F-шумов в генераторах на непроколотых ЛПД,
в основе которой лежит предположение о существовании двух независимых
источников l/F-шума: флуктуации концентрации ловушек и флуктуации насыщенной скорости дрейфа носителей заряда из-за рассеяния на нейтральных метастабильных центрах. Показано, что эта теория удовлетворительно объясняет результаты экспериментов.
Показано, что теоретические модели, в которых предполагается единственный источник l/F-шума, не в состоянии объяснить результаты экспериментов.
Разработана и апробирована методики определения интенсивностей источников l/F-шума по экспериментальным данным, полученным при измерении флуктуации напряжения на диоде в статическом режиме и модуляционных шумов генератора на ЛПД.
Разработана теория l/F-шумов в генераторах на проколотых ЛПД. Показано, что в отличие от генераторов на непроколотых ЛПД, уровень частотного шума в генераторах на проколотых ЛПД существенно зависит от добротности нагруженного контура.
Экспериментально доказано участие ловушек в формировании l/F-шума в ЛПД.
Научная и практическая ценность:
Получены соотношения, позволяющие корректно оценивать уровень модуляционных шумов в генераторах на непроколотых и проколотых ЛПД и их зависимость от добротности нагруженного контура и других параметров генераторов.
Выявлены основные механизмы формирования l/F-шумов в генераторах на ЛПД.
Предложена методика определения интенсивностей источников l/F-шума по результатам измерений спектральных плотностей флуктуации напряжения на ЛПД и флуктуации амплитуды колебаний.
Показано, что при больших амплитудах колебаний флуктуации частоты колебаний генератора на проколотых ЛПД ниже, чем в случае непроколотых диодов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
научно-технических конференциях СПб ГУТ в 1995 -1996 гг.;
1-й международной конференции UPoN'96;
14-й международной конференции "Noise in Phys. Sys. and 1/f Fluctuations" в 1997 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале и 4 публикации в трудах зарубежных и отечественных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 62 наименования. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста. Работа содержит 38 рисунка и 2 таблицы.
