Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах на диодах Ганна, работающих в импульсном режиме, и возможности его использования для создания новых типов измерительных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

;йРатовсш ордена грудззого красного знамени гзсшрстбенш университет имени н.г.черйниевсиого

1

На правах рдкописи

ЙБдЕЕЗ Александр йлексеезич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ШОДИКНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ 3 ПОЛЗПРОВОДНИКОВНХ СБЧ ГЕНЕРАТОРАХ Hfl ДИОДАХ ГЙЙНЙ, РШТЙЙШ 3 ИМПЗЯЬСНСИ РЕЖИМЕ. И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО использования для создания ■ ковах ТИПОВ ¡ШЕРИТЕЛЬННХ УСТРОЙСТВ

01.C4.C3 - радиофизика

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Явторзфераг

диссертации на соискание ученой степени кандидата физкко-иатенаткчесхих наук

■ Саратов - 1994

Саратовом гос. унизс^сятгт .

I - ус; 1

• ¿гадят» кл _ -ас________5

. S0

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского ордена Трудовсго Пресного Знамени Государственного Университета ик. К.Г.Чернышевского

ь

Научный руководитель: профессор, доктор физико-хатекатических

наук Д.Й.Зсанов

Официальна оппонент*: профессор Саратовского Государственного университета, доктор физико-иатематических наук Роках А.Г., профессор Саратовского Государственного технического университета. доктор физико-матекатических наук Зирюкин В.А.

Ведущая организация: Государственное Научно-производственное предприятие "Алкав".

Завита диссертации состоится 9 февраля 1995г. в 15 часов 30 вин. на заседании специализированного совета Д.053.74.01 по специальности 01.04.03 радиофизика, 01.04.10 физика полупроводников к диэлектриков в Саратовском Государственном университете: 410600, г.Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СП.

Автореферат разослан . ЗО^Л,- 1994г.

Нченнй секретарь специализированного совета, кандидат физико-иатекатическкх наук, доцент

обш ХАРАКТЕРИСТИКА рй507ы.

актуальность гены:

К перспектиэннх научным направлениям. леаазих на стыке современной радиофизики и физики полупроводников и дизлектри-ксз, можно отнести исследование физических процессов в полупзо-зодникавах элементах, используемых для генерации СВЧ колебаний, таких как биполярное я полезае СВЧ транзисторы, лавинно- пролетные диздн,- диоды Гакна и туннельные диода с учетом специфики электродинамических систем, в которых они размещены.

Отличительными особенностями полупроводниковых СВЧ генера-тороз яэляатса малне габарита, вес, потребляемая моан"сть от источника питания, возможность использования олного устройства для обеспечения различных радиофизических функций. К числу Физических явлений, использование которых позволяет создать устройства. допускавшие совмещение различная радиофизических функций, относится эшракт автодинного детектирования а полупроводниковых СБЧ генераторах. СЗЧ генераторы, работавшие а резкме автодиншзго детектирования, могут быть использованы для контроля параметров технологических процессов . для измерения перемещений , скоростей , ускорений. , направление дэяаеняя дзигиихся •объектов, фотопроводимости, химического состава зезестза. влажности, проводимости, диэлектрической пронимаемоеги, толщина слозз «егаллздизл=к:ру.ческих структур.

Область практического применения могла бы быть еза более расширена, если 5н удалось повысить их устойчивость к воздействия различных гнезких Фгктсроз, таких как изменение' теклерату- ' рх окружающей среда, гнзгнего магнитного поля и др. Для математического списания происходящих одноьремзкно процессез детектирования и генерации приходится регать- слезкув система нелинейных ди;;гренци?.льна:с уравнений. Задача еще белее усложняется, ..эсдк по.тупрогодникезка злехзнт подвергается дополнительному ' воздействия магнитного поля, температуру, и других факторов. Следует о-мгтхтъ, что э^зкт автодинного детектирования применительно к подупрезодниковнм генераторам, в которнх в качестве их активных элементов йспсльзузтся диоды Ганна, ноено считать сравнительно полно иссдадсзаннам линь тля случаг,' когда, диод запитызается от источника пс?'стЬянкогз напрязеная и работает з

одксчаетотнок решке. Б то время, «ало исследована специфика проявления этого эффекта в генераторах ка диодах Гакна, работающих в импульсном и многочастотнэм режимах. Пезтому проведение исследований в СВЧ генераторах ка основе диодов Гакна, работаю-вих в импульсном и мнсгочзстотном режимах, представляется актуальным.

Проведение таких исследований актуально такве и потому,, что макет способствовать созданию новых типов измерительных устройств различного назначения и расширения области практического использования этого эффекта.

Нельс диссертационной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах на диодах Ганка, работающих в импульсном и многочастотном реяи-мах, в том числе в условиях воздействия изменяющейся-температуры, и поиск новых возможностей его использования для создания измерительных устройств различного назначения.

Научная новизна.

- Установлено, что при использовании импульсного режима питания СВЧ генераторов на диоде Ганна интервал длительностей иы-пульсоз питавшего напряжения и минимальная величина их скважности, при которых величина эффекта автодетектирования смоиен-та вклвчения автодинного генератора остается постоянной, зависят от сопротивления диода (определяемого уровнем легирования) в слабых электрических.полях.

- Остановлено, что при переходе от непрерывного режима к импульсному на характеристики продетектированного сигнала оказывает влияние изменение дрейфовой скорости электронов в СаЙ5 -структуре диодов Ганна, выражавшееся в изменении периодичности продетектированного сигнала при изменении внешней нагрузки СВЧ генератора на диоде Ганна в вироком диапазоне значений, причем в низкоомных диодах подобное изменение дрейфовой скорости электронов оказывает более существенное влканиг.

- Остановлено такве, что максимум генерируемого НЧ-сигналз наблюдается при работе генератора в двухчастотнои режиме, а его положение относительна величины питавшего напряжения в области двухчастотной генерации зависит от параметров КЧ-цепи. Б режиме

двухчастотяой генерации изменение нагрузки СВЧ-цзпи призанят к изменения сигнале., продетэктмрованного з НЧ-цэпи, и наоборот, при этом сузестзуит области напрззений питания диода Ганна, г которых изменение нагрузки з СЭЧ- или а НЧ- цепи вызывает изменение гтрсдетектирсванных з зтих цзлях сигналов одинакового знака, я области, з которых изменения продзтектирозаяках сигналов имешт проткэсполсннае знаки. 3 областях напряжений смесэния, при которях НЧ и С5Ч колебания сузгстзузт раздельно, изнзнгние нагрузки в одной т цепей практически не элияст на сигнал, про-детектированный з другой цепи.

- Остановлено 5 результат® таорзтического анализа, что су-■зестзозаниэ пуаопсдобкого рэзиаа генерации э диодах Гас..¡а при напряге киях питания, близких к пороговому. зозаознс объяснить не только разбросом аоментоз зреаеки формирования доаена сильного поля, но к взаимным влияние» НЧ и С5Ч колзбакий, зозняхаз-зих з диодах Гакна.

- Установлено, что ззаяаоэлияаиз НЧ- и СЕЧ- цепзй при работе генератора на диоде Ганна з двухчастотнон резине асано устранить. есяя на внходэ СВЧ-гзнератора установить СВЧ-вяклзче-телъ яля СЗЧ-фильтр.

- На.оснсве использования зфрзкта автсдиккого детектирования з СВЧ-гэкераторах на диодах Ганна, работавших з импульсной и мкогочастотном резимах, предлояен новый способ контроля параметров диэлектрика на металлическом основании и нозае типы измерительных устройств.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применение*, стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных . с г.очояьн ссзреаенкых методов с использованием ЭВМ, успезннм использованием на практике приборов, з основу работы кстсрнх полонены результата исследований. Достоверности полученных теоретических результатов обеспечивается корректностью сделанных допущений я достаточной строгостьш математических моделей, сходимостьи вычислительных процессов к аскскня рэаенма. соответствием результатов расчета эксперименту.

Практическая значимость полученных результатов заклачается

в следившей:

-- выявлен« с-актсрк, ограк/.чивавсие возкоекссть использовани. эффекта автодйнного детектирования в полупроводниковых С5Ч те нераторах к предложены реогения, позвслявгие укеныкть злигни зтих факторов. Определены требования к взаимному ргспододе нкв, параметрам элементов конструкции автодккного генератора н основе диода Гакна, р'аботаглгего в иапульском к многочастотко режикзх, г.рк заполнении которых возможно достижение кзиСоле скрокого диапазона измеряемых параметров кеталлэднэлактрически слове;

— разработаны и созданы нозке типы приборов нерззругаюсег 'контроля, в ток числе к нногипаракетрового.

Ь диссертации заг/.пе—сг следузгие основные полегания:

1. Параметры импульса, при которых преде:?кти.гсванккй сигнг практически нв »меняется с коаеятз вкдЕчения генератора, с£ сесгвекнкх обрззек зависят ст сопротивления дисде (определяемс го уровнен легирования) б слабых злектрических полях.

2.-Б низкоокнах диодах Ганка каЬдЕдается белее сусествекн! влияние изменения дрейфовой скорости электронов ка характера! .тики продетектированного сигнала при переходе от непрерывно! режима в икпулъснову.

3. Максикуы генерируемого НЧ-скгналз наблюдается при работе а; тсдинного генератора в двдхчастотноа ренине, а его положен! относительно'величины питавсего напряжения в области двухча: теткой генерации определяется параметрами НЧ-цепк. Б режи' двухчастотной генерации изменение нагрузки в СВЧ-пепи привод к изменений сигнала, продэтектировакного в НЧ-цепи, и назборо Суцествувт области напряжений питаний при работе автодинно генератора в двухчастотнок ренкие, в которах изменение нагруз в С5Ч- или в НЧ- цепи вызывает изменение продетектировакных этих цепях сигналов одинакового знака, и области.в которых к некения продетектированных сигналов икешт противоположные зн

Кй.

4. На основе результатов численного анализа теоретически об: ноэана возкожнасть существования шукоподобного режима генерал в диодах Ганна при напряжениях питания, близких к пороговому,

5. Устранение взаимовлияния процессов в НЧ- к СБЧ- цепях г

?

работе автодинного генератора на диоде Ганна в двухчастном ренине, с цельв оСеспечения проведения дзухпараметравнх измерений характеристик материалов и структур, достигается вклвчениза на выходе автодинного СВЧ-гзнератора СВЧ-выключатела или СВЧ-фильтра.

На зациту выносится так«е группа новых типов устройств для измерений параметров материалов, созданных в результате прове-. денннх исследований:

- устройство -для ^измерения тол*ины пленки СИ];

- устройство для измерения параметров диэлектрических материалов [12];

- способ контроля параметров диэлектрика на металлическоу основании С131.

Личный зклад автора. Экспериментальные данные получена ав-

тором диссертации лично. Расчетные соотноиения. поззолявяиэ описать наблвдаемае экспериментально особенности характеристик полупроводниковых СВЧ генератороэ, получена автором самостоятельно. Автором самостоятельна разработана н апробирована методика двухпараметрового контроля диэлектриков. Б изоСрзтзниях автором предлоаенн их основные, признаки.

• Апробация работа.

Основные результаты диссертационной рабств и

збсуядались на кенвдзовской надчко-практйческа* ааяфсргнчии 'Интегральные волноводнае-.и пояосковые СВЧ злаизит:-: систем сзя-1и" в г.Куйбышеве в 195? году, на аегвузоггсчсй язучно-гехнкчес-:ой конференции колодах учэннх и специалистов "Йетпдн к системы •ехнической диагностики. . Математическое и физическое «одэякро-;ание в электронике и радиофизика" з г.Саратове з 1936г., ка 10 сесовзнсй научно-тгхнической конференции к выставке "Контроль олеины покрытий и его метрологическое обеспечение" э г.йнгвске 1930г., .на Мендународной научно-технической конференции "йк-уальные проблема электронного приборостроения" в г.Новосибирс-е в 1332 году, на'XIII научно-технической конференции "Нераз-узвЕщие физические метода и средсгза контроля" в г.Санкт-Пе-ербурге"в 1993 году, на'0 российской научно-технической кйнфе-енции."Оптические, радиоволнивые, . теплавав методы и срадьзэа.

контроле качества материалов, изделий и окружавшей среды" в г.йльяновске в 1933 году, на II годичном собрании инновационной кеквузовской программы "Трансферкые технологии, комплексы к оборудование" в г.Саратове в 19S3 года, на Российской с кенду-кародккк участие» каучко-технической конференции "Неразруиакщий контроль в науке к индустрии - 84" в г.Москве б 1394г.

Публикации. Tic материалам диссертации опубликовано 15 работ, список которых приведен в конце автореферате.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заклвченкя, списка литература (83 наименования) и приложений, содерЕкт 42 • рисунке к кзлокена на 121 страницах машинного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ.

Во введении обоснована актуальность тени ДЕсеергедн:;, сформирована цель работы к приведены основные пслоггняг, Заносимые на защиту.

■Первая глава содорвит анализ состояния исследований 834&к-та автодикного детектирования в полупроводниковых СБ-: кр»£орак, работаввйх в импульсном решше.

Рассмотрены возмокнгсть его пр«мекенкй здз различиях тввог измерительных дстройств. Здесь же описаны ослогпыг г^ктп;к, ограничивающие применение активных полупровсднякзьшс СЕЧ приборов в рассматриваемых устройствах, а также возкоют- ц^.ь арсидале-ния згих ограничений. •

Во второй главе анализирувтсд результаты зсиернхеьпахьных и теоретических исследований эффекта автодикного детектирование в СЕЧ генераторах на диодах Ганна, запитываемкх -от импульсного источника питания.

Исследовалось влияние теркеразогрева на характеристики генераторов на диодах Ганна. Б непрерывном режиме работы генераторов вследствие большой плотности мощности, рассеиваемой в диоде Ганна - 10 - 10 Вт/см , и относительно низкой теплопроводности арсеяида галлия (0,5 Вт/град.«си) средняя температура диода кокет-быть много выше температуры окрунащей среды. Измене-

ния температуры диода из-за изменения рассеиваемой в образце мощности или влияния внззней среды приводит к изменении энергетических характеристик генератора Ганна. При напряжениях, пре-аявавщих пороговое, к изменения тока, протекавиего через диод, при изменении температуры, добарлягтся изменение тока, обусловленное фактором частотной-расстройки, связанной с температурным изменением емкости диода и параметров внешней СВЧ схемы. Раэог-' рэз диода вызывает изменение электрофизических параметров материала. С ростом температуры снизается подвизность носителей заряда, увеличивается их концентрация, особенно з материалах низкого качества, усиливается роль диффузии. Терноразогрев значительно влияет на' характер проявления автодинногэ эфзэкта, приводя к его нестабильности и уменьЕенив степени его проявления. 5 главе приведен» результата экспериментальных исследований использования импульсного питания иода Ганна для уменьшения дрейфа параметров генератора. Экспериментально' исследовалась зависимость отнсадния зеличинн про.цзтзнтированного сигнала к его максимальному значения дИ/дСзах от изаэяения нагрузки, в качзстзз которой использовался короткоэааыкаиций порознь, подключенный к генератору эолнсзодной конструкции с установленный з нен диодом Ганна. Зависикость ди/бИпах от изменения положения короткозайкнагщего порзкя й изменяется с течением времени при постоянном питании . При этой с течением времени яри лабом положении ксроткозаиккаталя величина продгтекглрозанного сигнала уменьшалась. При запитазакии генгратсра от импульсного источника питания зависимость йЛАЛаах от й практически не изменялась с момента' его нклячения при длительности запитыаашщзго импульса т < 100 мкс и схзззности ч > 3 в случае использования- в СБЧ гэяэраторах серий:-:; запускаемого диода типа йй703. Кроме .этого.при импульсном рекиме питания, в оглкчие от непрерывного режима, зависимость отнесения зеличинн продетектированного сигнала к его максимальному значениш от перемещения короткозамыкаа-цего поряня приобретает безгкстерезисннй характер.

Экспериментально исследовалась зависимость параметров им- • пульсов питающего напряаения, при которых продетектированный сигнал практически не 'изменяется с цокента включения генератора, от сопротивления диода Гаш^а (определяемого.уровнем легирования) в слабых электрических полях. Для высокоомных диодов (с

сопротивлением порядка 1С 0») величина максимальной длительности импульсов питания может быть увеличена до 200 мкс при ■ минимальном значении их скважности ч = 8 вследствие меньшей т<;рмо-зависимости диодов. Следует отметить, что мощность СВЧ излучения, генерируемого такими диодами существенно меньве, чей при использовании низкооаных диодов (с сопротивлением порядка 5 0к). Б низкоокнкх, сильнояегированннх диодах, в результате рассеяния больней модности при фиксированном питании, происходит более интенсивный разогрев диода, что приводит к существенному увеличение влияния изменения дрейфовой скорости электронов при импульсной региме питания, варававцегося в изменении периодичности яродетектированного сигнала при.изменении внеиней нагруз-- ки СЕЧ генератора на. диоде Ганка в- сироиом диапазоне значений, . кроме этого, з низкооинык Ссияьколегированных) диодах, наряду с аменьвениеи иаксведлсвского времени релаксации объемного заряда, Происходит увеличение времени установления стационарного рекима колебаний, следствием чего является увеличение минимальной длительности капульсов питания до. ~ 10 икс.

5 данной главе приведены такке результата исследований кногочасготного рэзийа колебаний в генераторах на диодах Ганна. Известно, что диода Ганна способна генерировать, наряду с СБЧ, одновременно и сравнительно низкочастотные колебания. Теоретически вознккьовзние НЧ колебаний объясняется наличием у диода Гакна отрицательной дифференциальной проводимости в вирокок диапазоне частот, в 'тон числе и з низкочастотной области.

Теоретическое описание процессов, протекавших в генераторах аа диодах Ганна, в иногочастотнои ревиие колебаний, возмоа-но при использовании дифференциальных уравнений, опись-вантах Сорву возбундаекых НЧ и СБЧ колебаний.

Возникновение колебаний з электрической схеме с нелинейным элементом, роль которого в автодинном генераторе играет диод Ганна, вследствие его детектирующего действия, приводит к пеяв-лэниа дополнительной составлявшей постоянного тока . л I при на-логеник внешнего воздействия на автодин.

Р.нализ дифференциальных уравнений, описывающих форму воз-буБдаеыых КЧ и .СВЧ колебаний, показывает, что изменение комплексной проводимости нагрузки приводит к изменении тока, протекавшего через диод на величину д1, причем изменение д! в од-

н

ной из цепей в результате смещения рабочей точки на ВАХ''диода приводит к изменению величины тока в другой цепи, .что, в свои очередь, 'вызывает изменение мощности колебаний, возбуадаемых этой цепью. То есть,■происходит взаимовлияние НЧ- и СВЧ- цепей при изменении нагрузки генератора в одной из них. В данной главе приведены такяе результаты экспериментального исследования влияния величины питающего напрявения на спектр генерируемых колебаний диода Ганна. Из результатов исследований следует, что при узеличении напрявения питания ка диоде Ганна без изменения элементов его внешних НЧ- и СВЧ- цепей аозет последовательно наблюдаться только НЧ-генерация, двухчастотная НЧ- и СВЧ- генерация, и только СВЧ-гэнерация, при этом максимум генерируемого НЧ-сигнала монет наблюдаться при работе генератора в двухчас-тотном ренине, а его положение относительно величины питающего напряжения в области двухчастотной генерации зависит от параметров НЧ-цепи. Максимум генерируемой СВЧ-иощности наблидается в отсутствие НЧ-генерации в области сравнительно высоких напря-зений питания. Было установлено также, что в режиме двухчастотной генерации изненение нагрузки в СВЧ-цепи приводит к изменении сигнала, прод'егектированного в НЧ-цепи, и наоборот. Сучест-вувт- области напряжений питания при работе генератора в двухчастотной режиме, в которых изменение нагрузки в СВЧ- или в НЧ-цепи вызывает изменение продетектированных в этих цепях сигналов одинакового знака, и области, в которых изменения продетектированных сигналов имевт противоположные знаки. В то же время в областях напряжений смещения, при которых НЧ и СВЧ колебания существуют раздельно; изменение нагрузки в одной из цепей практически не влияет на сигнал, продетектированный в другой-цепи.

•Установленное свойство свидетельствует о возможности использования одной и той же конструкции генератора для проведения независимых измерений параметров исследуемых объектов на НЧ и СВЧ, •

£ третьей главе представлены результаты исследований проблемы расширения функциональных вознопностей измерительных устройств ка основе эффекта автодинного детектирования'с использованием диода Ганна. Приведены варианты решений задачи расвире-ния диапазона параметров измеряемых-пленок, йри сохранении локальности измерений. Одним из типов устройств, позволявших ус-

пешно решить.такую задачи, является двухчастный генератор с общей измерительной головкой.' представлявшей собой разомкнутый на конце отрезок коаксиальной линии с СВЧ излучателем, вклачаю-щий з себя катуаку индуктивности, витки которой для увеличения локальности проводимых измерений выполнены уменыавцимися по диаметру к излучащему торцу коаксиальной линии, установленной сооснс с измерительной катушкой так. что их торца лежат в одной плоскости. Б главе такае рассмотрены возможности создания двух-гтаоамегрозах измерителей на основе многочастотного- генератора на диоде Гакна. Применение в измерительном датчике генератора на диоде Ганка позволяет возбуадать колебания в частотном диапазоне от сравнительно низких часто: до десятков ГГц. Для реализации многопаракетровых измерений предлагается использовать различный характер проявления эффекта автодкнного детектирования з генераторах на дисдах Ганна, работавших в различных частотных диапазонах. Для проведения дзухпарааетрозых измерений з автодикный генератор на диоде Гакна езеден дополнительно зысо-ксчастотннй параллельный колебательный контур. Для получения информации на ЯЧ и СЕЧ необходимо раздельно зоздейстзовать на :-*с следуемый образец сигналами зтих частот. Для этого использовался СБЧ-зыклэчатель, отключавший СВЧ-воздейстзие на время измерений на НЧ. При Измерениях на ЯЧ диэлектрический образец помечался нз металличэсхсэ основание и накладывался на катанку индуктивности, входящая в состав НЧ.резонансного контура. Про. детектированный ? НЧ-цепи сигнал бгл пропорционален только тол-чине диэлектрика к не зависел от 'его диэлектрической проницаемости, При отключенном СЗЧ-виклгчателе продетектированный сиг-кал оказывайся зависящим как от толщины, так и от диэлектрической проницаемости. Экспериментально исследовалась также возможность увеличения стабильности измерителя и упрощения его конструкции, Для этого диод Ганка запитывалсс от импульсного источника питания, „что позволило уменыгить температурный дрей$ параметров хноголастотнсгс ген-ратсра, связанный с саморазогрезом диода Ганка вс время его работы. Кроме этого для разделения информации по ВЧ- и СВЧ- цепям полно ввести СВЧ-фильтр мекду СВЧ-генераторсм и СВЧ-нагрузкой. Влияние изменения СВЧ-нагрузки на НЧ-цепь; в зтех случае, существенным образом ослабляется. В зелназоднеа варианте СВЧ-фильтр монет быть выполнен в виде ра-

J

ночного элемента. При этой использование рамочных элементов в сочетании с волноводной конструкцией позволяет повысить локальность измерений при сохранении датчиком высокой чувствительности.

■ В четвертой глазе представлены результаты исследований возможности разработки методики двухпараыетрового контроля диэлектриков, Для определения толщины и диэлектрической проницаемости предлагается использовать различный характер проявления автодинного эффекта на НЧ и СВЧ. Результат измерений на НЧ использовался для определения толцины диэлектрика по зависимости величина-толщины d от й.инч/дВкчиах, аппроксимированной методом наименьших квадратов яс калибровочным образцам. После кахенде-ния d определялась диэлектрическая проницаемость по измеренному значений д ИсвчЛЛсзчгах . динч/аинчиш и лИсвч/дисгчгах -максимальные значения продетектированного сигнала на КЧ к СВЧ соответственно. Для этого строилось семейство калибр^яетакх зависимостей д Иовч/дЦсвчиах от d . Из результатов проведенных нами измерений следует, что при d < ?-!С"'н « < 4-10

отн.ед.-м зависимости дОнч/динчивх от d й л{^«п-^Чсэчвах от ( €-d) с.высокой ствпеяьв лииейяк. ?, .•л'- с./",'1-"-" г-пра-делекий £ и d достаточно одного 8алзЗрг.21т:сго с.

кззестннми параметрами. При j > 6*10 v s ( > 4-i0~'

атн.ед.'М зависимость дисвч/дЦгвчиах с*- ( с - di. представляет собой секейстяо конотошш коивнх. 2тк э&гъ'.анаьчк «агдт

G

быть аппроксимированы полиномами, совпадеич* kotopks с -•члерен-нымк зависимостями определяется количеством калибровочная образцов. При _ этом, для определений £ по йёдиброэсчнн* образцам строились зависимости д исвч/дЦсвчвах от d дла фиксированных значений '£к .списнваевне оунккисй гкде:

г / 1 fn . LUC64 / л Cfjl Г 2-> С нет ( j. /'

1 m-i 11 .

Коэффициенты cKCfm определялись методом наименьших квадратов по калибровочным образцам с различными значениями толекин d и диэлектрической проницаемостью £ . Функция (1) использовалась для построения зависимости £ отдНсвч/дИсвчвах для значения толщины, соответствующего измеряемому диэлектрику, по которой, используя результат измерений на СВЧ, определялась дизлектри-

ческая проницаемость измеряемого диэлектрика.

В приложении приведен теоретический анализ эквивалентной схемы автодинного 'генератора на' диоде. Ганна, работающего в двухчастотном рекиме. Теоретический расчет показывает, что возможно существование областей напряжений питания, в которых изменения продетектированннх'НЧ и СВЧ сигналов при изменении СБЧ— нагрузки происходят с одним знаком, и области, в которых изменения поодетектированных сигналов иыавт противополоаные знаки, что подтверкдается экспериментально. Кроме этого, в результате теоретического анализа было установлено, что при напряжениях питания, близких к пороговому, в диодах Ганна монет существовать шумоподобный режим генерации, объясняемый не только разбросом моментов времени формирования домена сильного поля, но и взаимным влиянием НЧ и СВЧ колебаний, возникающих в диодах Ганна.

В прилскении такве приведена вычислительная программа, реализующая способ определения толщины и диэлектрической проницаемости диэлектриков па результатам измерений его на НЧ и СВЧ.

. Основные результаты и выводы,

1. Экспериментально исследовано влияние изменения температуры зследствие саморазогрева диода Ганна.на сигнал автсдетек-тироваяия. _

Экспериментально показано, что при работе СБЧ генератора I на диоде Ганна в непрерывном рег-гме с течением времени сигнал автодетектирования, вследствие саморазогрева диода, уменьшается при постоянной внешней нагрузке .генератора. При загштания генератора от импульсного источника питания продатактироаанкый ■ сигнал практически не изменяется; ' причем парамэтрк икпуяьсов питагцего напряаегсия, при которых продетектирсваннкй сигнал практически не изменяется с момента включения генераторе и степень злияниь;'изменения дрейфовой скорости электронов, при пере-' - хода от ь.-гферывного, равима к импульсному, на параметры проде-гектированного сигнала, существенным образок зависят от сопро-. тиэления диода (определяемого уровнем легирования) в слабых электрических полях.

2. Теоретически и экспериментально исследована НЧ и СВЧ генерация колебаний диодом Ганна.

Сбкарувено экспериментально. что максимум генерируемого пЧ-сигнала наблюдается при работе генератора в двухчастотном рекккэ, а его положение относительно величины питающего напря-Еечия в области двухчастотной :снераыии зависит от параметров ЯЧ-цепи, Максимум генериругюй СБЧ-мсе.чости наведается в отсутствие ЫЧ-ггк-рацки в облает»: сравнительно высоких капрявекий питания. 8 областях напряжен:'.?. смещения, при которых НЧ и С Б Ч колебания сувестгуит раздельно, изменение нагрузки в одной из КЕПей практически не влияет на сигнал, продетектированный в другой цели.

Показано теоретически и подтвергдзно экспериментально, что з региае двухчастной генерации изменен-:? нагрузки в СЗЧ-цепи призодит к изменении сигнала, продетекткрованного в йЧ-цепи, и наоборот. связанному с изменением отрицательной дифференциальной проводимости дгода Ганка з результате действия эффекта ав-тодккксго детектирования. Сушестзуат области напряаений питания при работе гвиератсра £ двухчастотнсм режиме, в которых изменение нагрузки в СВЧ- или в йЧ- цепи вызывает изменение продетек-тированннх в этих цепях сигналов одинакового знака, и облзсти, з которых изменения продетектировакных сигналов имеют противоположные знаки.

3. Теоретически показано," что в диодах Ганна при нанрязе-яиях питания, близких к пороговому, монет существовать rjíono-добкый реЕим генерации, объясняемый не только разбросом мемен-

отов времени формирования домена сильного поля, но и взаимным влиянием возникающих в диодах НЧ и СВЧ колебаний.-

4. Экспериментально показано, что взаимовлияние НЧ- и СВЧ- цепей при работе генератора на дисде Ганна в двухчастотном рехиае йозно устранить, если на выходе СВЧ-генерзтора установить СВЧ-выклвчагель или СВЧ-фильтр.

5. Предлоге» новый тип измерительного устройства на основ-? комбинации КЧ- и СВЧ- генераторов, с помс-иью которого зозноено расширение диапазона тслцин и класса измеряемых пленок.

5. Предлснен новый тип измерительного устройства на основе многочастотнвго генератора на диоде Ганна для проведения двух-паракегрезкх измерений диэлектрических материалов.

?. Предлозен новый способ контроля параметров диэлектрика на металлическом основании, основанный на применении алгоритма

рассчета -^величин толщины и диэлектрической проницаемости диэлектриков по результатам измерений на КЧ и СВЧ.

Основное содержание диссертации излозено в следующих публикациях:

Î. Исаков Д.Й., Скрипаль й.В.', йедеез й.й. Азтодшшй генератор на диоде Ганна в иикрополоскозом исполнении. // Тезиса докладов областной манзузовской научно-практической конференции "Интегральные эолноведные и полоскозые СЕЧ элементы систем связи" - Куйбтгг: Изд-бо КГПй,-1367.- C.S5-S7.

2. йздазв й.й. Измерительный комплекс для определения толщины структур металл-диздектрак./7 "Метсдк и системы технической диагностики. Математическое и физическое моделирование г электронике и радиофизика".Меазуз.кауч.сб.(зап.113: лзд-вс СГН - i388 - С.8!

о. Усэнсв Д.Й.. Скрипаль А.З., Семенов fl.fi., Аздзэв A.A., Каротин 5.Н. Инфораационно-изкери'Релькый комплекс для контроля параметров покрктий, // йкфорх. листок о науч.-тех, дос-тиаенки. - Саратов: Язд-so СЩП"«; -1388.

4. Исаков i!.p.. Скрипаль ?..§,, йвдэез й.й., Семенов й.й., Ксрз-тин 5.Н.. йнфор.ггзцйокзр^кзмерительный комплекс для контроля "а.ра»етрэз пскр-iTiî?:.// Р.нно:гц;;и экспонатов "Нченые Пс-зелгья - чародноау хозяйству" - Саратов: йзд-во СГЫ - 1382 - С.80.

5, Hcühub S.U., Скрипаль Ê.Î., Коротки Б.Н.. Авдеев й.й., Орлов Б.Е. Радиовслнэвне измерители толщины аеталло-диэлектрических структур.// Tes. докладов 1Ü Всесокзной научно-технической конференции и bsctôskk "Контроль толщины покрыти" и его метрологическое обеспечение" - Икевск -1920г. - с.8-10.

Б. Усанов Д.Й., Скрипаль A.B., Коротин Б.К., Авдеев й.й. СВЧ -измерит"!'/! на оснсве эффекта автодинного детектирования в полуг.'оводниковых приборах с отрицательно сопротивлением. // Труды, мензународной каучко-техничес..зй конференции "йк-туальнхе проблемы электронного приборостроения" - Новосибирск: йзд-бс H3TÜ - 1932 - т.5 йзк&рения з радиотехнике -С.40--Ч.

7. Зсансв Д.З., Скрипаль Р..В., Коротин Б.Н., Писарев В.В., йе-

деев Я.А. Системы радиоволновсго контроля на основе эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах с отрицательным- сопротивлением.// Тез. докл. XIII научно-технической конференции "Яеразрушавдие физические методы и средства контроля" - Санкт-Петербург - 1933 - С.53. В. Исаков Л.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Йн.В., Писарев В.В.. Авдеев fi.fi., Ситникова Т.П., Коротки Б.Н. Проблема контроля тонкопленочных покрытий и ее решение методами неразрушаилей диагностики. // Тез. докл. и-ой российской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окруяав-щей среды"- Ульяновск - 1993 - С.0-9. ■ 9. Усанов Д.Й., Скрипаль Ал,В., Скрипаль Ан.В., Коротин Б.К., Аздеев А.А. Контроль параметров диэлектрических материалов на маске !]3ЛТ.// Тез.-докл» 2-го годичного собрания инновационной меввузовской программы "Трансферные технологии, комплексы и оборудование" - Саратов - 1993 - С.53-54.

10. йсанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль йн.В., Писарев В.В., Авдеев А.А. .' Методы контроля параметров тонкопленочных не-таллодиэлектгичвеких структур.// Тез.конференции "Яеразру-яавщий контроль в науке и индустрии - 94." П.: ЛГТН. им.Баумана - 1994 - С.135-137. ■ .

11. Я. с. N1831121 (СССР) ЙКИ 501827/26. Устройство дла иэмере-

, кия толщины пленки.// Д.А.Нсанов, В.В.Писарев, А.А.Авдеев,

А.В.Скрипаль, В.Д.Тупикин, В.С.Панченко. (СССР),-4497352/09; Заявлено 20.10.88.

12. Патент РФ-N1705750. Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов.//'Нсанов Д.А., Авдеев А.А., Тупи-кин В.Д. Коротки ' Б.Н. - 4808ВВ5/21; Заявлено 02.04.90: Опубл. 15.01.92 Вил, Я2.

13. Патент РФ N2012871. Способ контроля параметров диэлектрика на металлическом основании.// Исаков Д.А., Авдеев Д.А.. Коротин Б.Н., Писарев В.В., Тупикин В.Д. - 4723041/09; Заявлено 20.07. 89; Опубл. 15.05.94. Бюл.НЭ.