Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ

Скрипаль, Александр Владимирович

Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Скрипаль, Александр Владимирович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ»

Автореферат диссертации на тему "Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ"

о ^

^ На правах рукописи

Скрипаль Александр Владимирович

Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ

/ 01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков 01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Саратов — 1998

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета, в НИИ механики и физики при СГУ

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор,

академик МАН ВШ,

Д. А. Уса нов

Официальные оппоненты: доктор тех. наук, профессор,

Г. Г. Шишкин

доктор физ.-мат. наук, профессор,

А. Г. Роках

Лауреат Государственной премии, доктор физ.-мат. наук, профессор,

Э. А. Семенов

Ведущая организация: Воронежский государственный

университет

Защита состоится « 27» мая 1998 г. в 15 час. 30 мин.

на заседании диссертационого совета Д.063.74.01 по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков, 01.04.03 - радиофизика в Саратовском государственном университете по адресу: 410026, Саратов, ул. Астраханская, 83

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ Автореферат разослан « 22 » апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационого совета, кандидат физ.-мат. наук, доцент

Аникин В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

К числу современных направлений, развивающихся на стыке физики полупроводников и радиофизики, можно отнести исследования взаимодействия электромагнитных полей в электродинамических системах с полупроводниковыми элементами. Важным фактором, стимулирующим проведение этих исследований, является открытие новых физических эффектов в полупроводниках, на основе которых разработаны и широко внедрены в практику устройства СВЧ различного назначения: твердотельные источники электромагнитных колебаний, усилители СВЧ, полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн.

Традиционным до настоящего времени в физике полупроводников и радиофизике можно считать подход, основанный на предположении о том, что характер взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами определяется свойствами полупроводниковых структур, параметры которых зависят только от технологических особенностей их создания и могут изменяться в результате воздействия температуры, постоянных электрических и магнитных полей и излучения оптического диапазона.

Гораздо менее изученным является рассмотрение взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала.

Проведение таких исследований затруднено тем, что для строгого теоретического описания физических процессов, протекающих в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излуче-ния, и, в частности, для определения параметров их эквивалентных схем оказывается необходимым решать систему нелинейных дифференциальных уравнений. Эта система уравнений еще более усложняется в случае, когда на полупроводниковую структуру воздействуют постоянные электрические и магнитные поля, излучение оптического диапазона.

но и решать сложные задачи по нахождению распределения поля в электродинамической системе с полупроводниковыми элементами, размещенными в ней с помощью специальных держателей. Строгое рассмотрение таких систем с полупроводниковыми элементами может быть получено лишь при совместном решении поставленных выше задач.

При описании свойств полупроводниковых приборов на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольт-амперную характеристику, импеданс). Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах.

Однако, с увеличением уровня воздействующей СВЧ-мощности наблюдается существенное изменение как высокочастотных характеристик полупроводниковых приборов, так и их режимов работы по постоянному току.

Воздействие СВЧ-излучения высокого уровня качественным образом изменяет спектр выходного сигнала СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах: становится возможным генерация субгармонических составляющих и шума, наблюдается модуляция выходного СВЧ-сигнала сравнительно более низкочастотными колебаниями, частота и форма которых зависят от частоты и амплитуды входного сигнала, проявляется гистерезисный характер зависимостей выходных характеристик, наблюдается эффект автодинно-го детектирования в полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением.

Поведение различных типов полупроводниковых приборов под действием СВЧ-излучения имеет свою специфику. Учет описанных эффектов существенен при анализе использования различного типа полупроводниковых приборов СВЧ, при определении условий их эксплуатации и областей применения. Использование этих эффектов позволяет создавать различного типа измерители, предотвращение их появления позволяет улучшить основные характеристики некоторых типов устройств.

боров могут существенным образом зависеть от величины и ориентации магнитного и электрического полей. Вследствие этого важное значение при разработке и определении условий эксплуатации полупроводниковых СВЧ-приборов имеет исследование их модуляционных характеристик.

Анализ исследований, посвященных рассмотрению взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве случаев многие авторы, стремясь как можно более строго решить электродинамическую задачу, представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрощенные модели.

С другой стороны при изучении процессов, протекающих в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, часто не учитывают сложного характера распределения электромагнитного пол я в конкретных электродинамических системах, в которые помещаются исследуемые полупроводниковые элементы.

Такой односторонний подход к решению проблемы создания СВЧ-устройств на полупроводниковых элементах, по мнению ряда авторов, привел к задержке на несколько лет разработки новых полупроводниковых СВЧ-генераторов, мощных полупроводниковых устройств СВЧ-диапазона, достижения максимальных значений коэффициента полезного действия, предельной частоты и мощности, повышения их надежности, адекватного описания характеристик новых СВЧ-устройств. Для решения этих задач требовалось проведение трудоемких экспериментальных исследований.

В связи с этим является актуальным проведение целенаправленного комплекса теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

Проведение целенаправленного комплекса таких исследований может позволить обнаружить новые физические явления в полупроводниковых приборах, создать на их основе новые типы твердотельных СВЧ-устройств, а также улучшить характеристики устройств, уже получивших широкое распространение в различных областях техники СВЧ, и, тем самым, еще более расширить области их применения.

Цель диссертационной работы

• Установление, в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами, новых физических закономерностей, связанных с учетом

• сложного характера распределения электромагнитных полей в конкретных электродинамических системах,

• зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей;

• разработка и создание на их основе новых типов СВЧ-устройств.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

1. Теоретическое и экспериментальное исследование изменения стационарных характеристик полупроводниковых приборов при воздействии на них СВЧ-излучения.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование низкочастотного спектра выходного сигнала СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах.

3. Установление механизма влияния стационарного магнитного поля нахарактеристики полупроводниковыхдиодных генераторов СВЧ.

4. Выявление механизмов воздействия оптического излучения на характеристики СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах.

5. Использование эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми структурами для разработки новых методов и средств радиоволнового контроля.

Научная новизна

1. Впервые проведен целенаправленный комплекс теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами по установлению новых физических закономерностей, связанных с учетом сложного характера распределения электромагнитного поля в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

2. Установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с туннельно-тонкими р — п-переходами приводит к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока, вследствие разогрева свободных носителей заряда, и появлением продетектированного сигнала.

3. Выявлена возможность как исчезновения областей отрицательного наклона, так и возникновения дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках последовательно соединенных туннельных диодов под действием греющего СВЧ-поля.

4. Обнаружен эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках диодных структур на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

5. Теоретически описан экспериментально наблюдающийся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в р — г — п-диодных структурах и диодных структурах на основе р — п-перехода при воздействии на них СВЧ-излучения в результате учета детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности.

6. Теоретически описан и экспериментально исследован эффект ав-тодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено, что изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи, обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

7. Установлена экспериментально и описана теоретически взаимосвязь сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощностью генераторов на их основе и нестабильностью характеристик выходного сигнала.

8. Обнаружен экспериментально и описан теоретически режим релаксационных низкочастотных колебаний в генераторах на дио-

дах Ганна и явление гистерезиса в возникновении низкочастотных колебаний.

9. Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность существования субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на ваАэ ПТШ. Определены интервалы значений входной мощности, режимов работы ПТШ по постоянному току и параметры внешней СВЧ-схемы, при которых возникают и существуют субгармонические колебания.

10. В полупроводниковых СВЧ-генераторах обнаружен эффект невзаимности, заключающийся в зависимости амплитуды и частоты генерации сигнала от направления внешнего магнитного поля при сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, зависящими от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

11. Установлены два механизма влияния оптического излучения на частоту и мощность сигнала генераторов на диодах Ганна: тепловой и концентрационный. Показано, что величина и знак сдвига частоты генерации, вызванного этими механизмами влияния оптического излучения на диод, определяются электродинамическими параметрами генераторной секции. В зависимости от этих параметров оба механизма: тепловой и концентрационный — могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков.

12. Теоретически и экспериментально исследовано влияние оптического излучения на статические характеристики ваАв ПТШ и спектральные характеристики выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе, работающего в режиме большого сигнала. Исследован эффект изменения спектральных характеристик выходного сигнала усилителя на ваАз ПТШ под действием оптического излучения в широком диапазоне значений входного СВЧ-сигнала. Установлены режимы работы ПТШ и значения уровней СВЧ- и оптического сигналов, при которых наблюдается максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения. Показано качественное соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

13. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены новые типы СВЧ-устройств и новые способы неразрушающего контроля.

Достоверность результатов диссертации

Достоверность 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 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.

Практическая значимость работы

• Показана эффективность управления характеристиками полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — гг-переходами греющим СВЧ-полем, что представляет интерес при создании устройств СВЧ-диапазона, быстродействующих аналоговых и цифровых устройств обработки информации.

• Эффект возникновения ОДС на стационарных вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодных структур и структур на основе невырожденного р — гг-перехода при воздействии СВЧ-излучения может быть использован при создании генераторов и усилителей с управляемым отрицательным сопротивлением.

• Установлена возможность прогнозирования основных характеристик СВЧ-генераторов на диодах Ганна по величине их сопротивления в слабых электрических полях.

• Эффект невзаимности, обнаруженный в полупроводниковых СВЧ-генераторах, может быть использован для уточнения условий их эксплуатации, а также для оценки погрешности при исследовании параметров полупроводниковых структур СВЧ-методами при наличии магнитного поля.

• Показана возможность создания оптически управляемых СВЧ-генераторов на диодах Ганна и детекторов импульсного излучения видимого и инфракрасного диапазонов на их основе.

• Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при исследовании влияния оптического излучения на вольт-амперные характеристики, коэффициент усиления и спектр выходного сигнала СВЧ-усилителя на ПТШ могут быть использованы при создании нового класса твердотельных приборов с оптическим управлением. В частности, показана возможность уменьшения нелинейных

искажений в СВЧ-усилителе, работающем с различными уровнями входной мощности с помощью оптического сигнала.

• В результате проведенных исследований разработаны и созданы новые приборы для контроля параметров тонких металлических пленок и диэлектрических слоев, параметров вибраций и перемещений, электропроводности водных растворов, принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с туннельно-тонкими р — п-переходами приводит к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока, вследствие разогрева свободных носителей заряда и появлением продетектированного сигнала.

2. На вольт-амперных характеристиках последовательно соединенных туннельных диодов под действием греющего СВЧ-поля наблюдается как исчезновение областей отрицательного наклона, так и возникновение дополнительных максимумов.

3. Учет детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности позволяет адекватно объяснить экспериментально наблюдающийся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодных структур и диодных структур на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

4. С ростом сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основе уменьшается величина долговременной нестабильности характеристик выходного сигнала генераторов, обусловленная изменением условий теплопередачи и температуры окружающей среды.

5. В многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания изменение нагрузки в СВЧ-и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Наблюдающиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагруз-

ки в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

6. При возникновении НЧ-колебаний в цепях питания СВЧ-гене-раторов на диодах Ганна наблюдается явление гистерезиса при напряжениях смещения, существенно превышающих пороговое. Форма НЧ-колебаний имеет вид, характерный для релаксационного режима.

7. При воздействии мощного СВЧ-сигнала в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на ваАв ПТШ при определенных значениях входной мощности, режимах работы ПТШ по постоянному току и параметрах внешней СВЧ-схемы возникают субгармонические составляющие.

8. В полупроводниковых диодных СВЧ-генераторах, находящихся в постоянном магнитном поле, наблюдается эффект невзаимности, заключающийся в зависимости амплитуды и частоты генерации сигнала от направления внешнего магнитного поля при сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, параметры которых зависят от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

9. Тепловой и концентрационный механизмы влияния оптического излучения на работу генераторов на диодах Ганна в зависимости от электродинамических параметров генераторной секции могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков. Максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения определяется режимами работы ПТШ и значениями уровней СВЧ- и оптического сигналов.

10. На защиту выносится группа новых типов СВЧ-устройств, созданных на основе эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах и защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Настоящая диссертация выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета, в НИИ механики и физики при СГУ. Она является обобщением работ автора, выполненных в период с 1980 по 1998 гг. по одной из актуальных проблем физики полупроводников и радиофизике, заключающейся в теоретическом и экспериментальном исследовании взаимодействия электромагнитных полей в электродинамических системах с полупроводниковыми элементами.

Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по исследованию взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

В результате решения этой научной проблемы установлены

• новые физические закономерности в модуляционных характеристиках полупроводниковых приборов СВЧ;

• новые физические явления, наблюдающиеся в этих приборах при воздействии электромагнитного излучения оптического и СВЧ-диапазонов, постоянных электрических и магнитных полей;

разработаны, созданы и внедрены

• новые типы твердотельных СВЧ-устройств, обладающие улучшенными характеристиками по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Реализация результатов в народном хозяйстве Исследования выполнены в соответствии с:

• координационными планами НИР АН СССР на 1981-1985 гг. и 1986— 1990 гг.;

• координационным планом НИР высших учебных заведений системы Минвуза СССР в области физики полупроводников на 1986-1990гг.;

• комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР «Датчик» на 1986-1990 гг.;

• межвузовской программой НИР на 1986-1990 гг. «Научное приборостроение»;

• НИР «Параметр», проводимой согласно постановлению ГКНТ СССР и включенной в народнохозяйственный план социального и экономического развития РСФСР на 1985 г.;

• программой фундаментальных исследований «Физика твердого тела» по проблеме «Неразрушающие физические методы контроля» ООФА АН СССР на 1991-1995 гг.;

• научно-технической программой Гособразования СССР на 19891992 гг. «Новые технологии и автоматизация процессов в машиностроении»;

• межвузовской инновационной научно-технической программой Госкомвуза РФ на 1991-1993 гг. «Исследование, разработка, освоение и выпуск наукоемкой продукции для отраслей народного хозяйства РФ»;

• межвузовской инновационной научно-технической программой Госкомвуза РФ на 1991—1993 гг. «Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция»;

• межвузовской научно-технической программой «Неразрушающий контроль и диагностика» Минобразования РФ на 1991-1994 гг. и 1995-1997 гг.;

• межвузовской инновационной научно-технической программой «Тран-сферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» на 1993-1994 гг. и 1995-1997 гг.;

• грантами Государственного Комитета РФ по высшему образованию в области радиотехники и электроники 1992-1993 гг., (МИЭТ ТУ); 19941995 гг. № гос. per. 94-1-74, № 01940005020; 1995-1997 гг. № 95-3-67;

• научно-технической программой «Вузовская наука регионам»на 19972000 гг.;

• научно-технической программой Минобразования РФ «Электроника», подпрограмма «Микроэлектронные технологии изделий электронной техники» на 1997-2000 гг.;

• планами НИР СГУ на 1993-2000гг.;

Разработанные в ходе выполнения диссертации приборы экспонировались на:

• ВДНХ СССР в Москве в 1985-1989 гг.;

• выставке «Ученые Минвуза РСФСР — народному хозяйству страны» в Москве в 1985 г.;

• Международных выставках «ТЕЛЕКОМ-87» (Женева — 1987г.), «Советская Россия сегодня» (Прага — 1987г.);

• Всесоюзной выставке «Ученые Поволжья — народному хозяйству» в Москве в 1989 г.;

• IV, V, VI, VII Российских выставках-конференциях в 1991, 1993, 1995, 1997 гг. в Саратове, Ульяновске, Череповце;

• Международных выставках «МЕРА-92» и «МЕРА-93» в Москве в 1992,1993 гг.;

• Российской с международным участием выставке-конференции «Неразрушающий контроль в науке и индустрии» в Москве в 1994 г.;

• Российской выставке «Достижения вузов России в машиностроении» в Москве в 1992 г.;

• годичных собраниях межвузовских инновационных научно-технических программ Минобразования РФ «Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция», «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» в С.-Петербурге и в Саратове в 1991-1997 гг.

Один из вариантов приборов, созданных в результате проведенных автором диссертации исследований, отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР за 1987 г.

Разработанные в ходе выполнения диссертации СВЧ-измери-тели выпущены в виде опытных партий на заводе «Тантал», в Центральном НИИ измерительной аппаратуры, НИИ механики и физики при СГУ в рамках госзаказа на 1987-1989 гг. и внедрены в НПО «Молния», НПО «Энергия», НПО «Исток» в рамках НИОКР «Самшит», ЦНИИИА, ГНПП «Алмаз», НИИ ПМЭ МАИ, МАИ, СНИИМ, ВНИИ «Электронстандарт», СЗПИ; переданы предприятиям электронной промышленности КНР по заключенным с ними контрактам.

Разработанные в рамках диссертации методы измерения параметров тонких металлических и диэлектрических слоев и выпущенные в виде опытных серий СВЧ-измерители типа СИТ-40, принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах, включены в число распространенных методов и средств неразрушающего контроля авторами 5-ти томного практического пособия «Неразрушающий контроль» под ред. В. В. Сухорукова.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

• V и VI Всесоюзных совещаниях по исследованию арсенида галлия в Томске в 1982, 1987 гг.;

• X Всесоюзной научной конференции «Электроника сверхвысоких частот» в Минске в 1983 г.;

• Всесоюзном совещании-семинаре «Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных СВЧ-схем» в Саратове в 1985 г.;

• межведомственном научно-техническом совещании «Состояние и тенденции развития метрики полупроводниковых и диэлектрических структур» в Саратове в 1986 г.;

• 42 Всесоюзной научной сессии, посвященной дню радио в Москве в 1987 г.;

• VI Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ» в Новосибирске в 1987 г.;

• XI Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» в Москве в 1987 г.;

• 11 Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ» в Орджоникидзе в 1986 г.;

• 8 Krajowa КопГегепс.)"а МкгоГак^а "М1К01Ч-88" в Гданьске (Польша) в 1988г.;

• 10 Всесоюзном семинаре по методам решения внутренних краевых задач электродинамики в Вильнюсе в 1988 г.;

• 44 Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио, в Новосибирске в 1989 г.;

• Всесоюзной научной конференции «Волновые и вибрационные процессы в машиностроении» в Горьком в 1989 г.;

• 4 Всесоюзной научно-технической конференции и выставке «Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение» в Ижевске в 1990 г.;

• 12 Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ в Киеве в 1990 г.;

• Всесоюзной научно-технической конференции «Приборы с отрицательным сопротивлением и интегральные преобразователи на их основе» в Баку в 1991 г.;

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-92) в Новосибирске в 1992 г.;

• 13 научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» в С.-Петербурге в 1993 г.;

• Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль в науке и индустрии-94» в Москве в 1994 г.;

• X International Microwave Conference MIKON-94 Ksiaz Castle (Польша) в 1994 г.;

• IV, V, VI Российских научно-технических конференциях с международным участием «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства неразрушающего контроля» в Саратове в 1991, 1995 гг., Ульяновске в 1993 г.;

• XI International MicroWave Conference MIKON-9G в Варшаве (Польша) в 1996 г.;

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного машиностроения» в Саратове в 1996 г.;

• III и IV Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» в Дивноморском в 1996, 1997 гг.;

• Всероссийской межвузовской научной конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» в Саратове в 1997 г.;

• VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» в Череповце в 1997 г.;

• I, II Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Электроника и информатика» в Зеленограде в 1995, 1997 гг.;

• III Международной конференции «Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление» в Воронеже в 1997 г.;

• 21 International Conference on Microelectronics MIEL'97 в Ниш (Югославия) в 1997 г.,

• а также на объединенном научном семинаре кафедр физики твердого тела, физики полупроводников, электроники и волновых процессов Саратовского госуниверситета.

Публикации

По материалам диссертации опубликована 91 научная работа, включал 29 статей, 2 патента и 5 авторских свидетельств на изобретения. Результаты диссертации использованы в двух учебных пособиях, рекомендованных к изданию Министерством общего и профессионального образования РФ.

Материалы диссертации используются в разработанном цикле лекций «Явления переноса в структурах с туннельно-тонкими полупроводниковыми слоями» в рамках курса «Физика твердого тела» и практикуме по курсу лекций «Измерение параметров полупроводников на СВЧ».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 296 страницах, содержит 130 рисунков, таблицу, список литературы из 428 наименований.

Автором диссертации производилась постановка задач, выбор методов их решения, разработка алгоритмов и программ расчета, обоснование методик эксперимента, получение экспериментальных данных, анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов работ, разработка новых методов и средств радиоволнового контроля.

Научным консультантом диссертационной работы являлся академик МАН ВШ, доктор физико-математических наук, профессор, Дмитрий Александрович Усанов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

• Обоснована актуальность темы диссертации.

• Содержится обзор современного состояния проблемы.

• Сформулирована цель работы.

• Содержится общая характеристика работы, включающая научную новизну, практическую значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

• Кратко изложено содержание работы.

Глава 1. Изменение стационарных характеристик полупроводниковых приборов при воздействии на них СВЧ-излучения

Исследовано влияние греющего СВЧ-поля на стационарные характеристики полупроводниковых приборов с туннельно-тонкими переходными слоями.

Теоретический анализ воздействия СВЧ-поля на вид стационарной вольт-амперной характеристики туннельного диода проведен с учетом влияния разогрева свободных носителей заряда на изменение туннельного, избыточного и диффузионного токов в р — п-переходе.

Использована модель, учитывающая разогрев электронного газа в приближении распределения Ферми — Дирака с электронной температурой Т. Аналитическое выражение для вольт-амперной характеристики туннельного диода, в случае, когда температура носителей заряда Т отлична от температуры решетки Го, представлено в виде:

= АТг [ [/ст(е)-/«т(е)]5с(е)5«(е)^ +

+ А\ £>х ехр < — ах

£д-дУ + [С™ (Г) - ее] + [е„ - Ср(Т)]

• +

дБИпПро

кТ Сп(Т0)-£с

Ьп { Сп (Т)-ес кТ0

X 1п 1 + ехр | '(п(Т)-ес ч кТ

дЗОррп о / кТ — Ср(То)

{дУк Сп(Го)-кТ0

6ХР ^

кТ кТ

1> +

// ;)

Х1п

— Ср(Т) кТо

£у ~ СР(Т)

ехр

дУк £у - Ср(То)

кТп

1 + ехр

кТ

дУк кТ

дУт\ кТ )

кТ0

-1

Из уравнения баланса энергии в приближении времени релаксации энергии были получены выражения, связывающие температуру электронного Т и дырочного Тр газа с напряженностью греющего

электрического поля:

8 1 (про) ~ (п(Т) 5 7г2 к2

+ -

(С»(Г)-ес);

+ -

8 1 (Р(ТР) - <;р(То)

5 7Г2 к2

(е„ - Ср(Тр)).

Проведены расчеты вольт-амперных характеристик диодов с туннельно-тонким р — п-переходом при различных значениях мощности греющего СВЧ-поля и температурах решетки, результаты которых представлены на рис. 1. Расчет В АХ проводился с учетом детекторного эффекта, возникающего вследствие ее нелинейности.

В результате теоретического анализа сделан вывод, что при воздействии греющего СВЧ-поля происходит уменьшение туннельной компоненты и резкое увеличение диффузионной компоненты полного тока, приводящее к исчезновению на вольт-амперных характеристиках полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — п-переходами участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Приведены результаты экспериментальных исследований воздействия внешнего СВЧ-сигнала на ВАХ туннельного диода и выходную мощность генератора на его основе. Анализ экспериментальных данных показал, что, как это и следует из результатов расчета, воздействие внешнего СВЧ-излучения приводит к исчезновению на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, приводящему, в частности, к срыву колебаний в генераторе на туннельном диоде.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований возможности управления видом вольт-амперной характеристики последовательно соединенных полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — п-переходами с помощью греющего СВЧ-поля, показавшие, что воздействие СВЧ-поля может приводить как к исчезновению областей отрицательного наклона, так и возникновению дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках.

Рис. 1. ВАХ туннельного диода при различных уровнях мощности греющего СВЧ-сигнала и температурах решетки:

--Го = 270 К; -------Т0 = 300 К; ............— Г0 = 330 К; 1 —

Рвнеш =0; 2 — Рвнеш = 0.5 мВт; 3 — Рвнеш = 0.75 мВт

Описан эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на стационарных и низкочастотных вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодов при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

Приведены результаты экспериментальных исследований, в ходе которых впервые обнаружен эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в диодных структурах на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии СВЧ-мощности (рис. 2).

Для описания взаимодействия СВЧ-сигнала с р — г — гг-диодом и диодными структурами на основе р — тг-перехода использовалась эквивалентная схема, параметры нелинейных элементов которой зависят как от величины постоянного смещения, так и от уровня входного сигнала. Нелинейные сопротивления, моделирующие области пространственного заряда и квазинейтральную область, определялись как средние сопротивления по первой гармонике СВЧ-тока. Емкость полупроводниковой структуры определялась суммой барьерной и диффузионной емкостей, которые вычислялись как средние по первой гармонике СВЧ-тока. При математическом моделировании протекания тока через диод использовалось выражение для вольт-амперной характеристики, полученное с учетом эффекта разогрева свободных носителей заряда. Для определения температуры свободных носителей заряда при разогреве их электрическим полем ис-

I, мА

-800 -400 0 400 800 Уа, мВ

Рис. 2. Экспериментальные ВАХ СВЧ-диода для различных значений мощности входного сигнала Ро, мВт:

^ — 0; 2 — 150; 3 — 350; 4 — 500

пользовалось уравнение баланса энергии. Расчет ВАХ диода проводился с учетом детекторного эффекта. Амплитуда СВЧ-напряжения определялась по величине поглощенной диодом СВЧ-мощности, которая определялась с учетом зависимости коэффициента отражения от уровня мощности СВЧ-сигнала.

Расчеты, выполненные с использованием вышеприведенной модели, показали, что при подаче СВЧ-сигнала на диод при отрицательных и небольших положительных напряжениях смещения значительная часть мощности поглощается. В этом диапазоне напряжений смещения ток, протекающий через диод, монотонно увеличивается. Его величина определяется током инжекции в условиях разогрева электронного газа СВЧ-полем и величиной продетектиро-ванного сигнала.

С ростом прямого смещения на диоде, вследствие уменьшения сопротивления диода и увеличения емкости полупроводниковой структуры, наблюдается существенное увеличение отраженного сигнала, приводящее к значительному уменьшению величины поглощенной мощности и амплитуды переменного напряжения. Поэтому наблюдается уменьшение продетектированного сигнала и, следовательно, уменьшение постоянного тока, протекающего через р — п-переход, при увеличении постоянного смещения, приложенного к диоду. То есть, возникает область отрицательного дифференциального сопротивления.

Поскольку величина отраженного и, следовательно, поглощенного СВЧ-сигнала определяется как величиной активной, так и реактивной составляющей импеданса диода, то характер ВАХ зависит от соотношения между этими составляющими.

Приведены результаты исследования особенностей проявления детекторного эффекта в СВЧ-устройствах на диодах Ганна. Выяснен механизм детектирования СВЧ-сигнала диодами Ганна, работающими в режиме усиления. Исследован экспериментально и описан теоретически эффект автодинного детектирования в генераторах на диодах Ганна. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости, проводимости.

Приведены результаты исследований особенностей проявления эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено, что изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Экспериментально исследована и теоретически обоснована взаимосвязь сопротивления полупроводниковых структур в слабых электрических полях с термостабильностью и выходной мощностью полупроводниковых ганновских генераторов на их основе, что открывает возможность по легко измеряемым параметрам диодов на постоянном токе прогнозировать основные характеристики СВЧ-генераторов.

Показано, что характерные времена установления основных характеристик выходного сигнала генератора на диоде Ганна увеличиваются с уменьшением сопротивления диода и увеличением теплового сопротивления прибора. Установлено, что длительность импульса питания, обеспечивающая заданное значение нестабильности выходных характеристик генератора, тем больше, чем больше электрическое сопротивление кристалла в слабых полях.

Глава 2. Исследование низкочастотного спектра выходного сигнала СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах

Экспериментально исследован и теоретически описан режим релаксационных низкочастотных колебаний в генераторах на диодах Ганна. Описано явление гистерезиса в возникновении низкочастотных колебаний.

Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность существования субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на СаАв ПТШ (рис. 3).

Определены интервалы напряжений питания и мощности входного сигнала, при которых возможно возникновение субгармоник, характеризуемых большим целым числом, равным отношению частот входного сигнала и субгармоники. При выходе за эти интервалы, в том числе при увеличении мощности свыше определенной величины, субгармоника в спектре исчезает. Последнее свидетельствует о том, что с изменением режима работы по постоянному току и уровня внешнего сигнала изменяются нелинейные характеристики транзистора, обуславливающие появление бифуркационных особенностей.

it, мА

150

-150

0 1 2

t, НС

Рис. 3. Зависимость тока в нагрузке от времени при наличии субгармонических колебаний с частотами кратными /о/9:

/о = 14 ГГц; Рвх = 190 мВт; Ed = 2.8 В; Ед = -2.5 В

Глава 3. Исследование влияния стационарного магнитного поля на характеристики полупроводниковых диодных генераторов СВЧ

Проведено теоретическое описание эффекта невзаимности, обнаруженного экспериментально и заключающегося в изменении амплитуды и частоты выходного сигнала полупроводниковых диодных СВЧ-генераторов при изменении направления внешнего стационарного магнитного поля и сохранении его величины.

Приведены результаты исследования влияния поперечного и продольного магнитного поля на характеристики генераторов на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах.

Для случаев поперечного и продольного магнитных полей получены дифференциальные уравнения, устанавливающие взаимосвязь между малосигнальными компонентами плотности тока в диоде, напряженности электрического поля и индукции магнитного поля, при возбуждении в резонаторе колебаний типа НтПр, которые имеют вид:

^ ] В {х

2 д2 3\у 1 2еео

о £,2 « «Па , /, , 2 г>2 \ Т

+-НлВ0а: + (1 + щ в0х) =

2 д «Лу

2 о т п , дЕ\у

qn J дР qn

qnцdE\y — /х<г В0 х Joy В1х + ££о

дВх

аг

— 2-цл Вох1оу ——

qn ОТ

££р qn

Во* Л

££0 т ЭВ\ а

qn ¿И

д2В1х

0хи0у '

ЭР

\х

££о qn

\ р2 д2^у 2££о 2 д^у / 2 о 2 \ т _

(

qn|dd + qn|^2dBozKa; - ^-В02КХ - ££0иКхЛг

Е\ у +

££ои> + 2ееоиКхЦ<1Вог + щ КгЗоуВ>

0г -

( ££0ш

V чп

Л гВогЛоу

1у

г, па ттгх ппу

где Кх = —г ctg-tg —г—

то а о

К, =

тжш

( тп \ 2 / П7Г \ '

+ \ Т)

тжх -

На основе анализа полученных уравнений теоретически показано появление у генераторных СВЧ-диодов анизотропии малосигнальной проводимости, индуцированной магнитным полем, проявлением которой является изменение амплитуды и частоты генерации при изменении направления магнитного поля на противоположное и сохранении его величины.

Представлены результаты теоретического анализа влияния магнитного поля на работу СВЧ-генераторов на диодах Ганна с учетом возникновения высших типов колебаний. Установлено, что максимальный сдвиг частоты генератора под действием магнитного поля наблюдается при смещении диода на некоторое расстояние от оси волновода к любой из узких стенок, что является следствием возбуждения в электродинамической системе с полупроводниковым диодом, размещенным в ней с помощью стержневого держателя, высших типов колебаний (рис. 4).

Л/, МГц 5

О 0.25 0.50 0.75 х/а

Рис. 4. Зависимости сдвига частоты генерации А/ от местоположения диода Ганна х/а относительно узких стенок волновода Во = 0.06 Т:

1 — Во ТТ ОХ; 2 — Во П ОХ

В результате теоретического анализа и экспериментальных исследований сделан вывод, что степень проявления эффекта определяется направлением вектора магнитной индукции, параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, зависящими от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току, что качественно подтверждает выводы теоретического анализа.

Глава 4. Исследование влияния оптического излучения на характеристики СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния оптического излучения на характеристики СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах.

Описано два механизма влияния оптического излучения на частоту и мощность сигнала генераторов на диодах Ганна: тепловой, вызванный разогревом диода и связанный с ним изменением скорости и дифференциальной подвижности электронов, и концентрационный, обусловленный изменением концентрации свободных носителей заряда в диоде.

Величина и знак сдвига частоты генерации, вызванного тепловым и концентрационным механизмом влияния оптического излучения на диод Ганна, зависит от постоянного смещения, приложенного к диоду, и импеданса внешней СВЧ-схемы, в которую включен диод. При этом оба механизма могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков (рис. 5).

При воздействии промодулированного по амплитуде излучения оптического диапазона на эффект перестройки частоты генератора влияет возникновение переменного напряжения в цепях питания диода Ганна.

Исследованы особенности фотоотклика СВЧ-усилителя на основе арсенид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шоттки. Показано, что в зависимости от режимов работы транзистора и частоты сигнала, подаваемого на его вход, воздействие оптического излучения приводит либо к увеличению, либо к уменьшению его коэффициента усиления. Установлено,что положение точки инверсии знака изменения коэффициента усиления под действием света определяется величиной напряжения на стоке. Исследовано явление положительной и отрицательной фотопроводимости в ПТШ.

А/, МГц 1

-1

-2 -3

\ \ \

1 \ \

V Ч/

А/, кГц 25

-200

-400 -600

7.5

8.5

9.5

и0, В

Рис. 5. Экспериментальные зависимости сдвига частоты генерации диода Ганна Д/ от величины приложенного напряжения Щ при воздействии оптического излучения:

1 — Л = 0.6328 мкм;

Л = 10.6

Показано, что инерционность фотоотклика определяется режимом работы ПТШ по постоянному току, частотой и мощностью усиливаемого сигнала, уровнем мощности оптического излучения, температурой кристалла диода и может быть обусловлена ловушками электронов и дырок с энергиями активации 0.85 0.90 эВ.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние оптического излучения на статические характеристики ваАв ПТШ и спектральные характеристики выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе, работающего в режиме большого сигнала. Выяснен характер изменения тока стока ПТШ при воздействии оптического излучения от уровня мощности на входе усилителя. Установлены закономерности изменения спектральных характеристик выходного сигнала усилителя на ва Аэ ПТШ под действием оптического излучения в широком диапазоне значений входного СВЧ-сигнала (рис. 6). Определены режимы работы ПТШ и значения уровней СВЧ- и оптического сигналов, при которых наблюдается максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения.

С помощью численного моделирования характеристик СВЧ-усилителя на основе решения системы дифференциальных уравнений, описывающих мгновенные значения токов и напряжений как функции времени в узлах и цепях эквивалентной схемы усилителя, параметры нелинейных элементов которой зависят как от уровня

ДРк/, дБ

О -2

О 20 40 60 80 100 Рвх, мВт

Рис. 6. Зависимости изменения абсолютного уровня мощности основной ДPf, второй ЛР2/ и третьей ДРз/ гармоник выходного сигнала под действием оптического излучения от уровня входной СВЧ-мощности РЕХ:

= 10 мВт; Ел = 5.8 В; Ед = -1.5 В; 1 — ДР/; а — ДР2/; 3 — ДР3/

СВЧ-сигнала, так и от мощности оптического излучения, адекватно описаны основные особенности изменения как статических характеристик СаАэ ПТШ, так и спектральных характеристик выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе при воздействии на ПТШ оптического излучения в режиме большого сигнала.

Глава 5. Использование эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми структурами для разработки новых методов и средств радиоволнового контроля

Приведено описание принципа действия СВЧ-измерителей параметров материалов, структур и сред на основе эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах (рис. 7).

Описаны конструкции разработанных и защищенных авторскими свидетельствами радиоволновых измерителей параметров вибраций и перемещений.

Заключение

Сформулированы основные результаты работы.

Приложение

Приведены основные обозначения физических величин.

—

Рис. 7. СВЧ-измеритель толщины покрытий СИТ-40

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически и экспериментально исследовано воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с тун-нельно-тонкими р — п-переходами, приводящее к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока вследствие разогрева свободных носителей заряда и появлением продетектированного сигнала.

2. Показано, что при управлении видом вольт-амперной характеристики последовательно соединенных полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — п-переходами с помощью греющего СВЧ-поля возможно как исчезновение областей отрицательного наклона, так и возникновение дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках.

3. Построена модель, учитывающая детекторный эффект, разогрев носителей заряда и зависимость импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности. Описан эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодных структур и диодных структур на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

4. Установлено, что в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях вызывают изменение продетектирован-ных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Наличие в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник приводит к возникновению локальных максимумов и минимумов на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи.

5. Обнаружено экспериментально и обосновано теоретически, что с ростом сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основе уменьшается величина долговременной нестабильности характеристик выходного сигнала.

6. Обнаружен экспериментально и описан теоретически режим релаксационных низкочастотных колебаний в генераторах на диодах Ганна и явление гистерезиса в возникновении низкочастотных колебаний.

7. Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность существования субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на ваАв ПТШ. Определены интервалы напряжений питания и мощности входного сигнала, при которых возможно возникновение субгармоник, характеризуемых большим целым числом, равным отношению частот входного сигнала и субгармоники. При выходе за эти интервалы, в том числе при увеличении мощности свыше определенной величины, субгармоника в спектре исчезает.

8. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен эффект невзаимности, заключающийся в изменении амплитуды и частоты выходного сигнала полупроводниковых диодных СВЧ-гене-раторов при изменении направления внешнего стационарного магнитного поля и сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется направлением векторА магнитной индукции, параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, зависящими от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

9. Установлены два механизма влияния оптического излучения на частоту и мощность сигнала генераторов на диодах Ганна: тепловой и концентрационный. Показано, что величина и знак сдвига частоты генерации, вызванного этими механизмами влияния оптического излучения на диод, определяются электродинамическими параметрами

генераторной секции. В зависимости от этих параметров оба механизма: тепловой и концентрационный — могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков.

10. Теоретически и экспериментально исследовано влияние оптического излучения на статические характеристики ваАБ ПТШ и спектральные характеристики выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе, работающего в режиме большого сигнала. Выяснен характер изменения тока стока ПТШ при воздействии оптического излучения от уровня мощности на входе усилителя. Установлены закономерности изменения спектральных характеристик выходного сигнала усилителя на ва Аб ПТШ под действием оптического излучения в широком диапазоне значений входного СВЧ-сигнала. Определены режимы работы ПТШ и значения уровней СВЧ- и оптического сигналов, при которых наблюдается максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения.

11. С помощью численного моделирования характеристик СВЧ-усилителя на основе решения системы дифференциальных уравнений, описывающих мгновенные значения токов и напряжений как функции времени в узлах и цепях эквивалентной схемы усилителя, параметры нелинейных элементов которой зависят как от уровня СВЧ-сигнала, так и от мощности оптического излучения, адекватно описаны основные особенности изменения как статических характеристик ваАБ ПТШ, так и спектральных характеристик выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе при воздействии на ПТШ оптического излучения в режиме большого сигнала.

12. Разработаны и созданы новые типы СВЧ-измерителей параметров тонких металлических пленок и диэлектрических слоев, параметров вибраций и перемещений, электропроводности водных растворов, принцип действия которых основан на использовании эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми СВЧ-генераторами.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ по теме диссертации

1. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Физика полупроводников (явления переноса в структурах с туннельно-тонкими полупроводниковыми слоями). Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1996. 236 с.

2. Усанов Д. А., Вениг С. Б., Феклистов В. Б., Скрипаль А. В. Лаб. раб. по курсу «Измерение параметров полупроводников на СВЧ». Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1997. 140 с.

3. Усанов Д. А., Коротин Б. Н., Орлов В. Е., Скрипаль А. В.

Снятие вырождения в р- и n-областях туннельного диода внешним СВЧ-сигналом// Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16, вып. 8. С. 50-51.

4. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Скрипаль Ан. В., Ермолаев С. А. Анизотропия отражения СВЧ-излучения от ферромагнитной жидкости// Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18, вып.23. С.44-45.

5. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Коротин В. Н., Орлов В. Е.

Влияние греющего СВЧ-поля на вид вольт-амперной характеристики туннельного диода//Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, вып. 7. С. 81-85.

6. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Авдеев А. А. О взаимосвязи характеристик диодов Ганна, работающих в режиме генерации, с их сопротивлением в слабых электрических полях // ЖТФ. 1995. Т. 65, вып. 10. С. 197-198.

7. Былинкина Н. Н., Муштакова С. П., Олейник В. А., Скрипаль А. В., Усанов Д. А., Ушаков Н. М., Яфаров Р. К.

Воздействие СВЧ-плазмы с электронно-циклотронным резонансом на электрофизические свойства алмазоподобных углеродных пленок // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22, вып. 6. С. 43-47.

8. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Вагарин А. Ю., Скрипаль Ан. В., Потапов В. В., Шмакова Т. Т., Мосияш С. С.

Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов//Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, вып. 5. С. 39-43.

9. Усанов Д. А., Тупикин В. Д., Скрипаль А. В., Коротин Б. Н.

Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для создания устройств радиоволнового контроля//Дефектоскопия. 1995. №5. С. 16-20.

10. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Орлов В. Е. Прибор для дистанционного измерения вибраций // ПТЭ. 1991. №1. С. 242-243.

11. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. К теории инжекционных токов в диэлектриках с предельным заполнением ловушек // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24, №10. С. 2103-2106.

12. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Тяжлов В. С., Васильева А. В.

Оптическое управление характеристиками усилителя на Ga As ПТШ в режиме большого сигнала // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41, №11. С. 1390-1397.

13. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Авдеев А. А., Бабаян А. В.

Эффект автодинного детектирования в генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания // Радиотехника и электроника. 1996. Т.41, №12. С.1497-1500.

14. Усанов Д. А., Горбатов С. С., Скрипаль А. В. Особенности низкочастотной генерации СВЧ-диодов Ганна // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1981. Т. 24, №10. С. 67-69.

15. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Горбатов С. С. Влияние ИК-излучения на генерацию диодов Ганна // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1982. Т. 25, №10. С. 92-93.

16. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Эффект невзаимности в диоде Ганна в скрещенных стационарных электрическом и магнитном полях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. Т. 30, №5. С. 53-55.

17. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Эффект автодинного детектирования в генераторах на диодах Ганна и его использование для контроля толщины и диэлектрической проницаемости материалов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. Т. 30, N2 10. С. 76-77.

18. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Эффект невзаимности в СВЧ-генераторах на ЛПД // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1988. Т. 31, №10. С. 68-69.

19. Усанов Д. А., Тяжлов В. С., Скрипаль А. В. Оптическое управление характеристиками усилителя на арсенид-галлиевом полевом транзисторе с барьером Шоттки // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1992. Т. 35, №8. С. 62-65.

20. Усанов Д. А., Коротин Б. Н., Орлов В. Е., Скрипаль А. В.

Влияние внешнего СВЧ-сигнала на работу СВЧ-генератора на туннельном диоде // Изв. вузов. Радиофизика. 1991. Т. 34, №1. С. 98-99.

21. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Орлов В. Е., Коротин Б. Н.

Управление видом вольт-амперной характеристики последовательно соединенных туннельных диодов греющим СВЧ-полем // Изв. вузов. Электроника. 1996. №1-2. С. 129-133.

22. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Угрюмова Н. В. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в р — i — n-диодных структурах при воздействии СВЧ-излучения // Изв. вузов. Электроника. 1997. №3-4. С. 48-52.

23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Бабаян А. В. Взаимосвязь сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с термостабильностью и выходной мощностью генераторов на их основе // Изв. вузов. Электроника. 1997. №5. С. 31-36.

24. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Детектирование МЭП-диодами, работающими в активном режиме // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1980. Вып. 10. С.62-63.

25. Безменов А. А., Веряскин В. С., Руденко Е. В., Скрипаль А. В., Усанов Д. А. Микрополосковый СВЧ-усилитель на ЛПД // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1981. Вып. 10. С. 66-68.

26. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Амплитудная и частотная модуляция СВЧ-излучения генераторов на диодах Ганна оптическим сигналом // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1982. Вып. 6. С. 57-58.

27. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Частотная модуляция диодов Ганна, работающих в режиме генерации, при воздействии на них лазерного излучения // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. Вып. 7. С. 27-29.

28. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Вагарин А. Ю., Скрипаль Ан. В., Потапов В. В., Шмакова Т. Т., Мосияш С. С. Лазерный автодинный метод контроля динамического состояния биообъектов//Конверсия. 1997. №10. С. 53-55.

29. Буренин П. В., Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Исследование вольт-амперных характеристик СВЧ МЭП-диодов// В кн.: Физика полупроводников и полупроводниковая электроника. Межвуз. науч. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. Вып.9. С. 35-41.

30. Скрипаль А. В. Исследование влияния внешних воздействий на работу диодов Ганна в активном режиме // В кн.: Некоторые вопросы современной физики. Науч.-тех. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. 4.2. С. 17-24.

31. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Коротин Б. Н., Орлов В. Е., Тяжлов В. С., Васильева А. В. Исследование физических процессов в полупроводниковых приборах СВЧ в условиях воздействия на них внешних электромагнитных полей СВЧ-диапазона, оптического излучения, постоянного магнитного поля // Межвуз. сб. «Моделирование и проектирование приборов и систем микро- и наноэлектро-ники»/Под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: МГИЭТ(ТУ), 1994. С. 36-45.

32. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Эффект автодинного детектирования в генераторах на диодах Ганна и его использование для контроля параметров материалов и структур // Ргос. 8 International Microwave Conf. MIKON-88, October 3-7, 1988. Gdansk (Poland), 1988. P. 412-417.

33. Usanov D. A., Skripal A. V., Korotin B. N., Orlov V. E. The

influence of warming microwave field on the working of devices with tunnel-thin p — n transitions // Proc. 10 International Microwave Conf. MIKON-94, May 30-June 2, 1994. Ksiaz Castle (Poland), 1994. Vol.1. P. 151-155.

34. Usanov D. A., Skripal A. V., Tyajlov V. S., Vasilyeva A. V.

Investigation of influence of optical radiation on the amplifier's characteristics for FET on the Ga As // Proc. 10 International Microwave Conf. MIKON-94, May 30-June 2, 1994. Ksiaz Castle (Poland), 1994. Vol.1, P. 156-159.

35. Skripal A. V., Usanov D. A., Tyajlov V. S., Vasilieva A. V.

Subharmonic generation in Ga As FET amplifier // Proc. 11 International Microwave Conf. MIKON-96, May 27-30, 1996. Warsaw (Poland), 1996. Vol.2. P. 450-453.

36. Usanov D. A., Skripal A. V. Microwave radiation control of semiconductor structures with tunnel-thin p — n transitons // Proc. of 21 In-

ternational Conf. on Microelectronics MIEL'97, 14-17 September, 1997. Nis (Yugoslavia), 1997. Vol.1. P. 249-251.

37. A. c. 1264109 СССР, МКИ G01R27/26. Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов/У санов Д. А., Скрипаль А. В., Коротин Б. Н., Лицов А. А., Гришин В. К., Свир-щевский С. Б., Струков А. 3. (СССР). №3904336/24-09; Заявл. 03.06.85; Опубл. 15.10.86; Бюл. №38. 2с.

38. А. с. 1448821 СССР, МКИ G01В 15/02./Усанов Д. А., Тупи-кин В. Д., Скрипаль А. В., Скрипаль Ан. В. (СССР). №4102803/24-28; Заявл. 05.08.86.

39. А. с. 1585692 СССР, МКИ G01H9/00. Способ измерения амплитуды вибраций осесимметричных объектов/Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Орлов В. Е., Гришин В. К., Левин М. Н., Ефимов В. П. (СССР). №4388316/25-28; Заявл. 07.12.87; Опубл. 15.08.90; Бюл. №30. 2с.

40. А. с. 1762285А1 RU, МКИ G01V1/16. Вибрационный стенд для исследования и эталонирования сейсморазведочной аппаратуры/ Усанов Д. А., Пимштейн И. Г., Скрипаль А. В., Проскуряков В. Н., Турлов П. А. №4770754/25; Заявл. 22.12.89; Опубл. 15.09.92; Бюл. N2 34. 2 с.

41. А. с. 1831121А1 RU, МКИ G011127/26./Усанов Д. А., Писарев Д. А., Авдеев А. А., Скрипаль А. В., Тупикин В. Д., Панчен-ко В. С. №4497352/09; Заявл. 20.10.88.

42. Пат. №2094811 RU, МКИ G01R27/26. Устройство на диоде Ганна для измерения параметров диэлектрических материа-лов/Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Коротин Б. Н., Авдеев А. А. №95115788/09. Заявл. 07.09.95; Опубл. 27.10.97; Бюл. №30. 4с.

43. Пат. №2096791 RU, МКИ G01R27/26. Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов/Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Коротин Б. Н., Авдеев А. А. №95115711/09. Заявл. 07.09.95; Опубл. 20.11.97; Бюл. №2 32. 4 с.

Формат 60x84 1/16. Усл.-печ. л. 1,60(2,0).

Подписано к печати 10.04.98 Бум. SvetoCopy

Уч.-изд. л. 1,4 Тираж 100

Отпечатано автором на принтере HP LaserJet ÖL

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Скрипаль, Александр Владимирович, Саратов

& Г/

Министерство общего и профессионального образования РФ Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского

УДК 537.311.33:621.382

Скрипаль Алек

Владимирович

01.04.10 — физика полупроводников

и диэлектриков 01.04.03 — радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: академик МАН ВШ, профессор, доктор физ.-мат. наук Д. А. Усанов

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................ 5

1. ИЗМЕНЕНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА

НИХ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ .............................................. 26

1.1. Влияние греющего СВЧ-поля на стационарные характеристики полупроводниковых приборов с туннельно-тонкими переходными слоями . 26

1.1.1. Влияние греющего СВЧ-поля на туннельный и избыточный ток туннельного диода.............................................. 26

1.1.2. Расчет диффузионного тока в вырожденном р — п-переходе при разогреве носителей заряда..................................... 28

1.1.3. Расчет температуры газа носителей заряда в сильно вырожденных полупроводниках........................................... 39

1.1.4. Результаты расчета и экспериментальных исследований....... 44

1.1.5. Влияние температуры на вольт-амперную характеристику туннельного диода с горячими носителями......................... 54

1.1.6. Управление видом вольт-амперной характеристики последовательно соединенных туннельных диодов греющим СВЧ-полем . 61

1.2. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления на стационарных вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодов при воздействии СВЧ-излучения .......................................... 67

1.2.1. Модель, используемая при расчете ............................. 67

1.2.2. Результаты математического моделирования .................. 71

1.3. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках диодных структур на основе р — п-перехода при воздействии СВЧ-излучения высокого уровня мощности 76

1.3.1. Результаты эксперимента ............................................................................77

1.3.2. Модель, используемая при расчете ..........................................................77

1.3.3. Результаты математического моделирования ............................81

1.4. Детекторный эффект в СВЧ-устройствах на диодах Ганна......................86

1.4.1. Детектирование СВЧ-излучения диодами Ганна, работающими

в режиме усиления.............................................. 86

1.4.2. Исследование влияния импеданса электродинамической системы на режим работы генератора на диоде Ганна по постоянному току............................................................. 96

1.4.3. Эффект автодинного детектирования в генераторе на диоде Ган-

на с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания 105

1.4.4. Взаимосвязь характеристик диодов Ганна, работающих в режиме генерации, с их сопротивлением в слабых электрических

полях ........................................................... 110

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА ВЫХОДНОГО СИГНАЛА СВЧ-УСТРОЙСТВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ .................................................. 123

2.1. Исследование условий возбуждения НЧ-колебаний в цепях питания СВЧ-генераторов на диодах Ганна.................................... 124

2.2. Исследование формы НЧ-колебаний в цепях питания СВЧ-генераторов

на диодах Ганна ...................................................... 127

2.3. Возбуждение субгармоник в СВЧ-усилителях на GaAs ПТШ ........ 131

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТАЦИОНАРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ ........................... 146

3.1. Исследование влияния поперечного магнитного поля на характеристики генераторов на диодах Ганна ...................................... 146

3.2. Исследование влияния продольного магнитного поля на характеристики генераторов на диодах Ганна...................................... 158

3.3. Теоретический анализ влияния магнитного поля на работу СВЧ-генераторов на диодах Ганна с учетом возникновения высших типов колебаний ............................................................. 165

3.4. Исследование влияния магнитного поля на характеристики генераторов на ЛПД ........................................................... 178

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЧ-УСТРОЙСТВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ ............................ ........... 182

4.1. Влияние оптического излучения на характеристики полупроводниковых СВЧ-генераторов на диодах Ганна ............................... 182

4.1.1. Теоретический анализ влияния оптического излучения на характеристики полупроводниковых СВЧ-генераторов на диодах Ганна........................................................... 182

4.1.2. Экспериментальное исследование влияния излучения оптического диапазона на характеристики СВЧ-генераторов на диодах Ганна........................................................... 185

4.2. Исследование особенностей фотоотклика СВЧ-усилителя на основе

арсенид-галлиевого полевого транзистора с барьером Шоттки ....... 192

4.3. Оптическое управление характеристиками усилителя на Са Ав ПТШ

в режиме большого сигнала........................................... 202

4.3.1. Результаты экспериментальных исследований влияния оптического излучения на статические и спектральные характеристики усилителя на Са Ав ПТШ в режиме большого сигнала ......... 202

4.3.2. Модель, используемая при математическом моделировании оптически управляемого ПТШ ...................................... 219

4.3.3. Результаты численного моделирования......................... 224

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СТРУКТУРАМИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ .............................................................. 228

5.1. Описание принципа действия СВЧ-измерителей параметров материалов, структур и сред на основе эффекта автодинного детектирования

в полупроводниковых СВЧ-генераторах .............................. 228

5.2. Разработка радиоволновых измерителей параметров вибраций и перемещений .............................................................. 245

5.2.1. Способ измерения амплитуды вибраций осесимметричных объектов .....................................................................................................245

5.2.2. СВЧ-измерители вибраций ..........................................................................251

5.2.3. СВЧ-измеритель деформационных микроперемещений ..................256

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................... 262

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................... 266

ПРИЛОЖЕНИЕ .......................................................... 295

ВВЕДЕНИЕ

Традиционным до настоящего времени в физике полупроводников и радиофизике можно считать подход, основанный на предположении, что характер взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами определяется свойствами полупроводниковых структур, параметры которых зависят только от технологических особенностей их создания и могут изменяться в результате воздействия температуры, постоянных электрических и магнитных полей и излучения оптического диапазона [67—84].

Проведение таких исследований затруднено тем, что для строгого теоретического описания физических процессов, протекающих в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, и, в частности, для определения параметров их эквивалентных схем оказывается необходимым решать систему нелинейных дифференциальных уравнений. Эта система уравнений еще более усложняется в случае, когда на полупроводниковую структуру воздействуют постоянные электрические и магнитные поля, излучение оптического диапазона.

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 полупроводниковыми элементами, размещенными в ней с помощью специальных держателей. Строгое рассмотрение таких систем с полупроводниковыми элементами может быть получено лишь при совместном решении поставленных выше задач.

никовых приборах. В то же время ясно, что с увеличением уровня воздействующей СВЧ-мощности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых приборов.

Для устранения влияния внешних СВЧ-сигналов используют так называемые защитные устройства или СВЧ-ограничители [10, 17, 42] и, в частности, ограничители на р — i — п-диод ах, т. е. р — i — n-диоды в таких приборах по своему назначению находятся в условиях воздействия высокого уровня СВЧ-мощности.

Было установлено, что при определенных уровнях СВЧ-мощности в р — i — п-диодах может происходить скачкообразное изменение выпрямленного тока. Возникновение таких скачков тока объяснялось [108] нелинейным характером барьерной емкости р — г-перехода, образующей с индуктивностью выводов диодов нелинейный колебательный контур, имеющий два различных устойчивых состояния.

Интересно отметить, что в спектре выходного сигнала ограничителя наблюдается последовательное появление с увеличением уровня мощности составляющих //2, //4, области шумового спектра, составляющих //3, //6, где / — частота входного сигнала [109].

Теоретически возникновение субгармонических составляющих и гистерезис в СВЧ-ограничителях описаны с использованием р — г — n-диода в виде нелинейного колебательного контура [110].

В работах [47,111] бистабильные и триггерные ВЧ- и СВЧ-свойства р — i — п-диодов описывались на основе импедансной модели, учитывающей внутреннюю обратную связь между пространственными областями р — i — n-структуры по СВЧ-напряжению, постоянному и СВЧ-току.

Воздействие высокого уровня мощности на р — i — п-диод или на два последовательно соединенных р — i — n-диода [112] может приводить к появлению на ВАХ одного или нескольких участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением и, как следствие этого, к модуляции выходного СВЧ-сигнала сравнительно более низкочастотными колебаниями, частота и форма которых зависят от частоты и амплитуды входного сигнала. Введение в схему ограничителя фильтра, предотвращающего появление субгармонических составляющих, позволяет улучшить его основные характеристики [113].

Воздействие СВЧ-излучения качественным образом изменяет спектр выходного сигнала устройств на диодах Ганна, импеданс которых имеет ярко выраженный нелинейный характер. При этом вид нелинейности диода существенным образом зависит от его режима питания, элементов конструктивного исполнения, типа электродинамической системы, в которую он помещен, и других факторов [114—116].

При воздействии на диод Ганна, работающий в режиме усиления внешнего СВЧ-сигнала, начиная с некоторого уровня мощности, на выходе возникают субгармонические составляющие //2, //4, //8 и шумовая генерация. При этом наблюдается скачкообразное изменение продетектированного диодом Ганна напряжения.

При воздействии на диод Ганна, работающий в режиме многочастотной генерации, внешним сигналом на частоте его субгармоники, каждая мода в спектре выходного сигнала занимала положение, соответствующее по частоте ближайшей к ней гармонике синхронизированного сигнала [117]. При повышении мощности синхронизирующего сигнала зависимость мощности генератора от частоты расстройки

принимала гистерезисный характер [118]. Если частота внешнего сигнала близка к собственной частоте генерации, то возникает модуляция. При этом глубина модуляции, частота и форма модулирующего сигнала зависят от величины расстройки и мощности внешнего сигнала [119]. Максимальные значения частот модуляции достигаются при мощностях внешнего СВЧ-сигнала, сравнимых с мощностью собственной генерации СВЧ-генератора на диоде Ганна.

Если кроме основного сигнала на диод Ганна воздействует еще один внешний сигнал, то наблюдается его влияние на уровень пороговой мощности основного сигнала, при котором происходит возникновение субгармонических составляющих [120]. Особенно сильно это влияние в случае, когда частота дополнительного сигнала близка к //4. Наряду с уменьшением пороговой мощности воздействие дополнительного сигнала приводит к увеличению амплитуд субгармонических составляющих.

Кроме описанных выше эффектов, при изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением, наблюдается и эффект детектирования.

Отдельные аспекты проявления этого эффекта в генераторах и усилителях на диодах Ганна, ЛПД, туннельных диодах, биполярных и полевых транзисторах и вопросы его практического использования обсуждались в работах [121-124].

Однако описание детекторного эффекта в полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением при воздействии на них внешнего СВЧ-сигнала с учетом реальных параметров активного элемента и элементов СВЧ- и НЧ-схем, в которые включен полупроводниковый прибор, проведено до настоящего времени не было.

Таким образом, воздействие СВЧ-излучения на полупроводниковые приборы может приводить к существенному изменению их характеристик: появлению или исчезновению на В АХ участков отрицательного сопротивления, генерации субгармонических составляющих и шума, модуляции, гистерезисного характера зависимостей их характеристик.

По сравнению с приборами вакуумной электроники зависимость параметров твердотельных приборов СВЧ от таких внешних факторов как температура, освещение может проявляться гораздо более существенным образом, что обусловлено сильно выраженной зависимостью от этих факторов свойств полупроводниковых материалов. Кроме того, характеристики полупроводниковых материалов и приборов могут существенным образом зависеть от величины и ориентации магнитного и электрического полей. Вследствие вышесказанного важное значение при разработке и определении условий эксплуатации полупроводниковых СВЧ-приборов имеет исследование их модуляционных характеристик.

СВЧ-характеристики полупроводниковых приборов существенным образом изменяются под воздействием оптического излучения [125—137]. В литературе представлены результаты исследований характеристик ЛПД [127, 133, 138—148], ди-

одов Ганна [2, 149—160], р — г — п-диодов [130, 137, 161], биполярных [162] и полевых [163—176] транзисторов, транзисторов с высокой подвижностью электронов [176—178] при освещении.

При воздействии оптического излучения на ЛПД фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, вызывают увеличение количества носителей в обедненной зоне, в результате происходит увеличение лавинного тока, изменяются амплитуда и фаза тока, наведенного во внешней цепи, и, как следствие, мощность и частота генерируемых колебаний [141, 142]. В работе [142] приведены результаты исследований возможности управления генератором на ЛПД с помощью лазерной подсветки малой интенсивности (1.5 Вт/см2), показано, что, изменяя согласование ЛПД с нагрузкой, можно добиться значительного (до десяти раз) изменения выходной мощности генератора как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения.

Зависимости мощности, КПД и спектрального состава колебаний, генерируемых кремниевым ЛПД, от рабочего тока диода на различных частотах трехсантиметрового диапазона длин волн при облучении его све�