Полупроводниковые генераторы на низкоразмерных резонаторах с характеристиками, регулируемыми магнитными и электрическими полями

На правах рукописи

СОРОКИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, РЕГУЛИРУЕМЫМИ МАГНИТНЫМИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

01.04.03 - Радиофизика

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

САРАТОВ - 2009

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела

Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,
доктор физико-математических наук,

профессор Усанов Дмитрий Александрович

доктор физико-математических наук,

доцент Горбатов Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Роках Александр Григорьевич

доктор физико-математических наук,

профессор Попов Вячеслав Валентинович

Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов.

Защита диссертации состоится «___» ________ 2009 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д. 212.243.01 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г.Саратов, ул.Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан «___» _________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.М. Аникин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Область применения твердотельных СВЧ-устройств может быть существенно расширена при решении проблемы эффективного управления их частотными и амплитудными характеристиками. Возможность управления частотой полупроводниковых генераторов введением в них электрически управляемой полупроводниковой емкости хорошо изучена. Сравнительно хорошо изучена также возможность магнитной перестройки частоты СВЧ-генераторов введением в их схему ферритового элемента. Однако такого рода устройства обладают либо недостаточной перестройкой по частоте, либо невысокой кривизной частотных характеристик в окрестности резонанса. Для повышения эффективности работы управляющих и измерительных устройств на основе систем со стержневым держателем (штырем с зазором) необходимо повышать кривизну частотных характеристик данных систем.

Анализ исследований, посвященных особенностям волновых процессов в электродинамических системах, содержащих полупроводники, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве работ авторы ограничивались рассмотрением случаев одномодового распространения волны.

В то же время известно, что вопреки предсказываемому в результате использования одномодовых представлений характеру взаимодействия СВЧ-излучения с полупроводниковыми структурами, могут наблюдаться качественно иные закономерности, связанные с существованием ближнего поля, обусловленного возбуждением волн высших типов, что показано, например, в работах Усанова Д.А., Горбатова С.С., Скрипаля А.В. с соавторами.

В литературе, посвященной многомодовому взаимодействию поля с неоднородностью, недостаточно развиты представления о процессе трансформации распределения суммарного поля при возбуждении волн высших типов, недостаточно исследованы случаи взаимодействия ближнего поля с полупроводниковыми структурами с регулируемой проводимостью, исследованы далеко не все особенности, связанные с возбуждением волн высших типов.

В тех немногочисленных работах, в которых рассматриваются ситуации, когда существенен учёт эффектов, связанных с ближним полем в системах, включающих полупроводниковые элементы, например, в работах Усанова Д.А., Горбатова С.С., Скрипаля А.В. с соавторами, осталась недостаточно рассмотренной возможность управления характеристиками таких систем с помощью электрических и магнитных полей. В частности, не рассмотрены возможности повышения чувствительности электродинамических систем с неоднородностями, представляющими собой полупроводниковые элементы, к внешним воздействиям при повышении частотной избирательности электродинамической системы.

К настоящему времени существует довольно большое число работ, посвященных проблемам ближнеполевой СВЧ-микроскопии. По-прежнему актуальна проблема повышения чувствительности ближнеполевых СВЧ-микроскопов. К настоящему времени к числу нерешенных задач в этой области можно отнести, например, определение предела разрешающей способности, выяснение механизмов взаимодействия микрообъектов с ближним полем, влияния случайных возмущений на результаты измерений. Также не исследованы возможности повышения кривизны частотных характеристик резонансных систем, используемых в качестве измерительных элементов ближнеполевого микроскопа.

В связи с вышесказанным, представляет интерес поиск способов расчета ближнеполевых СВЧ-систем, улучшения характеристик при управлении этими системами с помощью электрических и магнитных полей, возможностей повышения кривизны частотных характеристик резонаторов и использование подобных систем для измерения параметров материалов.

Цель диссертационной работы состоит в увеличении чувствительности полупроводниковых СВЧ-устройств на основе низкоразмерных резонансных систем к внешним воздействиям: влиянию постоянного магнитного поля, электрического смещения и изменению физических параметров нагрузки.

Низкоразмерными называются такие электродинамические системы, в которых длина волны основного типа в 10 и более раз превосходит, по крайней мере, один из размеров системы.

В задачи исследования входило следующее:

1. Экспериментальное исследование характеристик низкоразмерных резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель», содержащих полупроводниковый элемент, при воздействии на полупроводниковый элемент электрического смещения или постоянного магнитного поля.
2. Разработка способа повышения частотной избирательности амплитудно-частотных характеристик резонансных систем «штырь с зазором - короткозамыкатель».
3. Исследование возможности использования устройств на основе резонансных систем «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
4. Разработка алгоритма расчета амплитудно-частотных характеристик низкоразмерных резонансных систем типа «емкостная диафрагма - короткозамыкатель».

Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:

• Показана возможность расширения полосы частотной перестройки управляющим магнитным полем СВЧ-генератора на диоде Ганна на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель».
• Установлена возможность уменьшения шумов лавинно-пролетного диода, работающего в режиме СВЧ-генерации.
• Экспериментально обоснована возможность повышения кривизны частотных характеристик низкоразмерного резонатора на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель» при использовании короткозамыкателя с выемкой цилиндрической формы.
• Показана возможность электрической перестройки частоты резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкающий поршень с выемкой» при использовании в качестве управляющего элемента полупроводникового диода.
• Показана возможность использования устройств на основе резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» для измерения с повышенной локальностью электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.
• Разработан алгоритм расчета коэффициента отражения и КСВН для систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» в широком диапазоне значений частоты, расстояний между поршнем и диафрагмой с использованием многомодового приближения.

Достоверность экспериментальных и теоретических результатов обеспечена достаточной строгостью используемых математических моделей; корректностью упрощающих допущений; сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям; выполнимостью предельных переходов к известным решениям; соответствием результатов расчета экспериментальным данным; применением современной стандартной измерительной аппаратуры; метрологической поверкой измерительного оборудования и методик измерения; обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ; воспроизводимостью полученных результатов.

Практическая значимость полученных результатов:

Создан генератор на диоде Ганна, работающий в трехсантиметровом диапазоне длин волн, на основе низкоразмерной системы «штырь с зазором - короткозамыкатель», позволяющий производить перестройку частоты изменением величины постоянного магнитного поля на 75Мгц.

На основе низкоразмерной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель» реализован СВЧ-генератор на лавинно-пролетном диоде с пониженным уровнем шума.

Реализована резонансная система «штырь с зазором – короткозамыкатель с цилиндрической выемкой» с повышенной кривизной частотных характеристик с введенным в нее полупроводниковым диодом, позволяющая производить перестройку резонанса по частоте при изменении величины напряжения обратного смещения на диоде.

Разработано устройство на основе низкоразмерной резонансной системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой», предназначенное для измерения электрических характеристик (диэлектрической проницаемости, проводимости) материалов.

Предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать частотные характеристики низкоразмерных систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень», качественно согласующиеся с экспериментом в широком диапазоне значений частоты (8-12ГГц), расстояний между поршнем и диафрагмой и другими параметрами электродинамической системы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Диапазон невзаимной магнитной перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧ-генераторов на диодах Ганна может быть существенно расширен (более чем в 10 раз) по сравнению с известными схемами, если в качестве резонатора использовать низкоразмерную систему «металлический штырь с зазором – близко расположенный короткозамыкатель».

2. В полупроводниковых СВЧ ЛПД-генераторах на основе низкоразмерных резонансных систем уровень шума может быть существенно уменьшен (не менее чем в 10 раз) регулировкой расстояния между штырем и короткозамыкателем.

3. Низкоразмерная система «металлический штырь – близко расположенный короткозамыкатель с цилиндрической выемкой» обладает высокой кривизной частотных характеристик в окрестности резонанса (более чем в 100 раз по сравнению с известными схемами), частоту которого можно электрически перестраивать изменением напряжения на помещенном в систему диоде.

4. Используя низкоразмерную резонансную систему в виде «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой» с петлей связи, оканчивающейся зондом, выступающим за пределы волновода, возможно с повышенной локальностью (от 10мкм) измерять диэлектрическую проницаемость (1.5400) и проводимость
(2·10-2107 Ом-1·м-1) материалов на СВЧ.

5. Вариационная методика позволяет рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерной системы «емкостная диафрагма – близко расположенный короткозамыкающий поршень» при выборе, в качестве базисной, системы собственных колебаний типа Hmnp для TE- и TM-типов, где индексы изменяются в пределах m,n: 150 и более, p:160 и более в широком диапазоне значений частоты, расстояний между поршнем и диафрагмой и другими параметрами электродинамической системы.

Апробации работы. Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:

1. 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008), г. Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г.;
2. 7-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 15-21 Сентября 2008г.;
3. 12-й Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (SFM'08) г. Саратов 23-26 сентября 2008г.

Личный вклад соискателя. Все основные оригинальные результаты, на которых базируется диссертация, получены автором.

Публикации. По материалам исследований, опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых научных журналах списка ВАК и 3 тезисов докладов на международных научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 117 страницы машинописного текста, включая приложения, в том числе основной текст занимает 109 страниц, включая 29 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 112 наименований и изложен на 12 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 критический анализ различных резонансных СВЧ-систем и возможностей их применений для измерения параметров материалов.

Во второй главе приведены результаты исследования возможности управления магнитным полем, приложенным перпендикулярно широкой стенке волновода, частотой генерации диода Ганна, размещенного в низкоразмерной резонансной системе «металлический штырь – близко расположенный короткозамыкатель» [1].

Для проверки предположения о том, что низкоразмерная резонансная система чрезвычайно чувствительна к внешним воздействиям, была использована электродинамическая структура, схематическое изображение которой приведено на рис.1. В качестве активного элемента использовался диод Ганна типа АА703Б. Сечение прямоугольного волновода 1 составляло 23x10 мм. Диод 2 устанавливался между металлическим штырем 3 короткозамыкателем 4 так, как это показано на рис.1. Размер верхней стороны штыря составлял 5 мм, нижней стороны — 6.5 мм. Минимальное расстояние между штырем и короткозамыкателем составляло 0.8 мм, что значительно меньше, чем длина волны на частоте генерации (8.5 ГГц).

Частота генерации измерялась с помощью анализатора спектра С4-27. Для измерений мощности использовался термоэлектронный измеритель мощности М4-3. Магнитные поля и прикладывались в направлении, перпендикулярном широкой стенке волновода, так, как это показано на рис.1. Частота генерации в отсутствии магнитного поля составляла 8.5 ГГц, мощность генерации при этом составляла мВт.

Рис.1 Рис.2

Результаты измерений, приведенные на рис.2, свидетельствуют о том, что при изменении величины индукции магнитного поля в пределах от 0 до 3 кГс максимальное изменение частоты в рассматриваемой конструкции генератора составляло 75 МГц (кривая 1 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 2 — 9.0 В). Аналогичные измерения были проведены при изменении направления магнитного поля на противоположное (). Кривая 3 соответствует смещению на диоде 8.0 В, кривая 4 — 9.0 В. Изменение частоты генерации для напряжений смещения 8.0 и 9 В сопровождалось изменением мощности генерации (кривая 5 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 6 — 9.0 В). Зависимость изменения мощности генерации при направлении магнитного поля представлена кривыми 7 — смещение на диоде 8.0 В и 8 — смещение на диоде 9.0 В. Отметим, что при направлении магнитного поля его увеличение до значения индукции ~ 300 Гс (кривая 3), ~500 Гс (кривая 4) происходило уменьшение частоты генерации. Величина невзаимности достигала 15 МГц. При напряжении смещения на диоде 8.0 В в интервале значений индукции магнитного поля 1.252.5 кГс наблюдалась перестройка частоты генерации на 42 МГц при практически неизменной мощности генерации.

Для теоретического обоснования полученных экспериментальных результатов использовалось выражение для поверхностного импеданса штыря, которое может быть записано в виде

. (1)

Изменение Zn в результате воздействия магнитного поля происходит вследствие эффекта магнетосопротивления. Здесь и - соответственно, магнитная проницаемость вакуума и проводимость материала штыря, - круговая частота, j-мнимая единица.

Соотношение (1) при воздействии постоянного магнитного поля принимает вид

,

где ,

где - угол Холла, который зависит от величины напряженности магнитного поля H следующим образом:

.

Это соотношение справедливо для металлов и для полупроводников n-типа.

Для расчета мы использовали методику, основанную на применении метода вторичных волн с элементами теории цепей. Расчеты проводили для устройства со штырем постоянной ширины, схематическое изображение которого приведено на рис. 3. При расчете определена частотная зависимость коэффициента стоячей волны KстU, в исследуемой конструкции.

Значения KстU определяли из соотношения

.

где , импеданс, определенный в плоскости штыря и содержащий параллельно соединенные импеданс штыря с зазором и входной импеданс отрезка волновода с поршнем, , где - сумма активной и индуктивной составляющих импеданса штыря, емкостная составляющая полной проводимости штыря с зазором имеет вид

.

Здесь , , , , , , , .

В третьей главе приведено описание конструкции резонаторов на основе систем “штырь с зазором – короткозамыкатель с цилиндрической выемкой” с высокими значениями кривизны частотных характеристик.

Рис. 3. Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь с зазором».