Исследование влияния саморазогрева и нелинейности характеристик диодов Ганна на их работу в режиме генерации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

2 3 НОЯ 1938

На правах рукописи

БАБАЯН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ САМОРАЗОГРЕВА И НЕЛИНЕЙНОСТИ АКТЕРИСТИК ДИОДОВ ГА1ША НА ИХ РАБОТУ В РЕ2ШМЕ ГЕНЕРАЦИИ

01.04,10 - физика полупроводников и диэлектриюз 01.04.03 - радиофизика

Авторефзрат диссертации на соисханив ученой степени кандидата физмхо-матеыатичзских наух

Саратов -1998

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор УсановД. А.

кандидат физико-математических наук, доцент Скрипаль А. В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Роках А. Г.

доктор физико-математических наук, профессор Чупис В. Н.

Ведущая организация: НПЦ 'Алмаз-Фазотрон*, г. Саратов

Защита диссертации состоится 10 декабря 1998 г. в 17 час. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 063.74.01 по специальностям 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков, 01.04.03 - радиофизика по адресу: 410026, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке С ГУ

Автореферат разослан 5 ноября 1998 г.

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

Аникин В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

К перспективным научным направлениям, лежащим на стыке современной юфиаики и физики полупроводников, можно отнести исследование физических |бсеов в полупроводниковых элементах, используемых для генерации СВЧ-баний, с учетом влияния на характер генерации электродинамических систем, в рых размещены полупроводниковые элементы. Область практического юнания таких генераторов могла бы быть расширена, если Бы удалось понизить абильность их работы во времени. Значительный вклад а нестабильность ят тепловые процессы в полупроводниковых элементах.

Тепловые процессы в полупроводниковых приборах к настоящему времени сны недостаточно полно. Экспериментальные исследования их влияния жняются в связи с затруднениями, возникающими при контроле температуры проводникового кристалла. Проведение теоретических исследований связано с ¡ходимостью решения сложной системы нелинейных дифференциальных нений, описывающих колебательные процессы в полупроводниковой структуре, (сстно с уравнением теплового баланс». Поэтому большинство исследователей (почитают использование упрощенных моделей генераторов и проведение етических и экспериментальных исследований, полагал, что температура проводникового кристалла фиксирована.

Отказ же от упрощенных моделей полупроводниковых структур, учет влияния тродинамнчесхоЯ система и описание динамики тешюгых процессов может сшить еыпзитъ рснаэ неизвестные особенности в работе генгратореэ на осксза * структур.

И«»пьк> лнсс^ятямиоинвй вавоты является исследование особенностей очашотных рожииоа работы генераторов на диодах Гвнна с учетом неОности их ингподанса, зффоктоя овтодинного дшоктирования и разогрева диода.

Научная новизна исслуповвннй. проведенных в ходе диссертационной ты, состоит в следующем:

едложена и исследована модель многоконтурного СВЧ-генератора на диоде нна, позволяющая оперативно исследовать особенности режимов его работы с атом тепловых процессов в полупроводниковой структуре;

• описана теоретически взаимосвязь сопротивления диодов Ганиа в слабых электрических полях с выходной мощностью, частотой и сигналом автодинного детектирования генераторов на их основе;

• на основе численного моделирования с учетом эффекта само разогрева полупроводникового кристалла описан режим многочастотной генерации диодов Ганна. Показано, что при малых значениях теплового сопротивления генератора на диода Ганна зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер. При больших значениях теплового сопротивления зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна монотонно убывает;

• на основе численного моделирования описано влияние саморазогрева диодов Ганна на спектр выходного сигнала генераторов на их основе. Установлено, что режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может быть охарактеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой. При этом саморазогрев полупроводникового кристалла диода вызывает регуляризацию колебаний. При напряжениях питания, несколько превышающих пороговое значение, саморазогрев кристалла диода Ганна приводит к переходу от периодического к квазипериодическому колебательному процессу и его хаотизации.

Достоверность полученных пиитических результатов достигается корректностью сделанных допущений, достаточной строгостью математических моделей, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, хорошей корреляцией результатов расчета с экспериментом.

Пважтмчаскяя значимость полученных результатов заключается в следующем:

• на основе составленной модели многоконтурного СВЧ-генератора на диоде Ганна, учитывающей как особенности физики работы диода, так и элементы его конструкции, стало возможным исследовать влияние тепловых процессов в полупроводниковой структуре на выходную мощность, величину продетектированного сигнала, частоту и спектральный состав выходного сигнала генераторов;

показана возможность по легко измеряемому на постоянном токе сопротивлению диодов Ганна в слабых электрических полях прогнозировать выходную мощность, величину продетекгированного сигнала, частоту и спектральный состав выходного сигнала СВЧ-генераторов на их основе;

показана возможность, отборая диоды Ганна по сопротивлению в слабых электрических полях и управляя теплоотводом, увеличивать или уменьшать вклад в выходной сигнал генераторов субгармонических и гармонических составляющих.

Апробация работы.

Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной боты результаты докладывались и обсуждались на Общероссийской научно-кнической конференции с меаду на родным участием 'Актуальные проблемы эрдотсльнсй электроники и ш«роэлехтронмки ПЭМ-86" в 1386 году в г. Таганроге; зждународной научно-технической конференции 'Актуальные проблемы ектронного приборостроения АПЭП-96" в 1996 году в г. Саратове; Всероссийской учно-техничесгай конференции с международным участием "Электроника и ферыаткка-97" в 1997 году в г. Зеленограде; Всероссийской межвузовская нференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ* в 1997 ЧУ, а г. Саратове; Общероссийской научно-технической конференции с ждународным участием "Актуальные проблемы твердотельной злэктроники и жрозлактроннки ГТЭМ-88" в 1998 году в г. Таганроге; Мезздународной научно-хничесгай конференции 'Акгуяльные проблзмы электронного приборострогния 1ЭП-98" в 1998 году в г. Саратове; 5-й Международной школе "Хаотические токолебания и образование структур ХАОС-98" а 1993 году в г. Саратове.

Публикации. По материалам исследований, выполненных при работе над ¡ссертацией, опубликоэано Э статьи в центральных научно-технических журналах, тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Личяый евдтая ялтояа выразился в самостоятельном выборе математической щели, выводе расчетных соотношений, проведении теоретических расчетов, астии в формулировании научных выводов.

Структура и обхом диссертация. Диссертация состоит из введения, четырех едепов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения.

Общий объем диссертации составляет 118 страниц машинописного текста, в то

числе основной текст занимает 83 страницы, включая 25 рисунков. Спиос

литературы содержит 133 наименования и изложен на 17 страницах.

Основные положения, выносимы« на яммнту:

1. Максимальная длительность импульса питания, при которой обеспечиваете заданное значение нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинно) детектирования генераторов на диодах Ганна, обусловленной изменение условий теплопередачи и температуры окружающей среды, увеличивается ростом электрического сопротивления полупроводниковой структуры диода.

2. Изменение сопротивления диода Ганна в слабых электрических полях за сч< изменения подвижности носителей заряда оказывает более сильное влияние н величину нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинно! детектирования генераторов на их основе, чем за счет аналогичного изменен» площади сечения кристалла диода или концентрации носителей. Увеличен» площади сечения кристалла диода или концентрации носителей заряда привод! к более значительному увеличению выходной мощности генерируемо! излучения, чем аналогичное увеличение подвижности.

3. Повышение температуры кристалла диода Ганна приводит к подавлению высип гармоник в спектре выходного сигнала. Такая зависимость мощности выаш гармоник от степени разогрева полупроводникового кристалла позволяв объяснить известный экспериментальный факт повышения "чистоты" спект; выходного сигнала генераторов на диодах Ганна после установлен» стационарного теплового режима работы.

4. При малых значениях теплового сопротивления генератора зависимое величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрически сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер, а при балыш значениях теплового сопротивления монотонно убывает.

5. Наблюдающийся экспериментально в диодах Ганна режим генерации п; напряжениях питания, близких к пороговому, может быть охарактеризован к сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой, причс саморазогрев кристалла вызывает регуляризацию колебаний. С роете напряжения питания саморазогрев кристалла диода приводит к переходу I периодического к квазипериодическому колебательному процессу и е хаотизации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пведанни обоснована актуальность выбранной темы диссертации, [юрмулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на щиту, описана структура и объем работы.

В первом раздела диссертации проведен критический анализ современных ¡следований, посвященных изучению многочастотных режимов работы СВЧ-нераторов на диодах Ганна, моделированию протекающих в них физических юцессов, изучению характеристик устройств на их основе. Показано, что з ¡стоящее время особый интерес представляет исследование многочастотных ихимоа работы автодинных генераторов на диодах Ганка. Отмечено, что к стоящему времени недостаточно полно изучены тепловые процессы в 1/тупрогоднигоаых приборах. Экспериментальные исследования их влияния яожняются невозможностью точного контроля температуры полупроводникового металла. При проведении теоретических исследований возникает необходимость доения сложной системы нелинейных дифференциальных уравнений, гисывающих колебательные процессы в полупроводниковой структуре, наряду с авнением теплового баланса. Поэтому большинство исследователей юдпочитают использование упрощенных моделей генераторов и проведение оратичзских и экспериментальных исследований в предположении, что мперзтура полупроводникового кристалла фиксирована.

Во пторем раздало приведены результаты исследований многочастотных икимов работы генераторов на диодах Ганна с учетом эффекта автодинного (тактирования. Описана математическая модель автодинного СВЧ-генератора на (оде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания, основанная I анализе многохонтурной эквивалентной схемы, элементы которой моделируют шупроводниковую структуру диода Ганна и внешнюю электродинамическую :стему, приводится обоснование ее выбора и результаты теоретического ххледования выбранной модели многоконтурной электродинамической системы.

На основе расчета теоретически показано (рис. 1), что изменение нагрузки в ВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетекгированных в этюс цепях 1гналов как одинакового, так и противоположного знаков. Теоретически показано, о наблюдающиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на

зависимостях продетекгированного сигнала от нагрузки в СВЧ-цепи обусловлен наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генвратора на диоде Ганна высш> гармоник.

Ь, мм Ь, мм

а б

Рис.1. Зависимости величины продетектированных в НЧ- и СВЧ-цепях

сигналов Д&кд (штриховая линия), (сплошная линия) от

перемещения I. короткозамыкающаго поршня: а - без учета вклада высших гармоник, б - с учетом вклада высших гармоник.

8 ттхатьаи оголяла приведены результаты исследования Бзаимосая: сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощности частотой и величиной сигнала автодетектирования генераторов на их основе.

Процесс саморазогрева полупроводникового кристалла диода Ганг анализировался путем решения нестационарного уравнения теплового баланса ( совместно с системой дифференциальных уравнений, описывающих эквиваленту схему СВЧ-генвратора на диоде Ганна:

<

где Т и Т0 - температура кристалла диода и окружающей среды, Лт - полис тепловое сопротивление прибора, учитывающее распределение температуры объеме полупроводникового кристалла и тепловые свойства генератора данж конструкции, С„ - теплоемкость полупроводникового кристалла.

Нелинейная зависимость мгновенных значений активной составляющей то и протекающего через полупроводниковую структуру, от мгновенных значение

апряжения Сна ней аппроксимировалась выражением:

1 +

и+р I4

. и» ]

1в До - сопротивление полупроводниковой структуры в слабых

пектрических полях. Зависимости ц(г) и к5(Г) аппроксимировались отношениями вида

тк, ткч

(«Вт/град, МГц/град 0.4

0Л-

5 7.5 10 Я,, Ом

Рис.2. Зависимости абсолютных значений ТКЧ (сплошная линия), ТКР (штриховая линия) и ТКц (точечная линия) от сопротивления диода До для различных значений величины теплового сопротивления Яг при Гс=300 К: 1 •Ят= 150 град/Вт, 2 - Дх = 100 град/Вт.

(3)

^(^»^оД^-ХЗ-Ю"4 -г)],

(4)

соответственно.

Теоретически показано, что с ростом электрического сопротивлени полупроводниковой структуры диодов Ганна в слабых электрических поля одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основ уменьшается величина нестабильности мощности, частоты и сигнала автодинног детектирования генераторов, обусловленная изменением условий теплопередачи температуры окружающей среды (рис. 2).

Сравнение расчетных данных с известными экспериментальным результатами показывает их качественное совпадение. Достижение каличественног совпадения при определении величин нестабильности мощности, частоты и сигнал аатодинного детектирования генератора получается, как это следует из результата расчета, при учете одновременного действия со своими знаками нескольки дестабилизирующих факторов, например, изменения условий теплопередачи Лт температуры окружающей среды г0. Определение взаимосвязи этих параметров реальном приборе является самостоятельной, достаточно сложной задачей.

В чепгярггом раздала исследовано влияние процесса саморазогрева н спектр выходного сигнала генераторов на диодах Ганна.

Проведен анализ влияния саморазогрева на спектр выходного сигнал генераторов на диодах Ганна. В режиме одкочастотной генерации (мощность второ гармоники на уровне ниже -50 дБ), достигаемом выбором параметров элемента эквивалентной схемы, определяющих связь диода Генна с СВЧ-схемой низкочастотным контуром в цепи питания, и режимом питания диода Ганна п постоянному току, учет саморазогрева диода приводит к существенному изменены частоты и мощности генерации.

Установлено, что увеличение теплового сопротивления прибора приводит уменьшению выходной мощности, что связано с уменьшением отрицательног сопротивления диода Ганна с ростом температуры кристалла. При этом частот генерации для использовавшегося набора параметров пассивных элементов СВ1-схемы генератора увеличивается.

С целью выяснения влияния саморазогрева кристалла на спектральны состав выходного сигнала были рассчитаны зависимости относительной мощност второй гармоники от величины теплового сопротивления приборе. Расчеты показал! что увеличение теплового сопротивления прибора до реально имеющих место н практике значений приводит к заметному уменьшению величины второй гармоники I

юктре выходного сигнала. Аналогичные зависимости наблюдались для третьей и »твертой гармоник. Такая зависимость мощности высших гармоник от степени иогрева полупроводникового кристалла позволяет объяснить наблюдавшийся :спериментально факт повышения 'чистоты" спектра выходного сигнала нераторов на диодах Ганна после установления стационарного теплового режима (боты.

Исследования взаимосвязи сопротивления диодов Ганна в слабых юктрических полях оо спектром выходного сигнала позволили установить, что ¡пользование диодов Ганна с малыми значениями в конструкции с Лт < 175 ед/Вт приводит к увеличению относительной мощности второй гармоники и к ее яэньшению в конструкциях с Ях> 175 град/Вт.

Использование предложенной модели позволило оценить влияние »мпературы окружающей среды на спзктр выходного сигнала генератора при щечных сопротивлениях полупроводниковой структуры и значениях теплового противления прибора. Увеличение температуры окружающей среды при реальных шчэниях теплового сопротивления прибора приводит к уменьшению относительней ощности второй гармоники во всем исследуемом диапазоне изменения противления диода. При этом ее изменение при учете саморазогрева составляло зкморно 0.2 дБ/град, что более чем в 10 раз превышает изменение этой величины 5и отсутствии семоразогрева кристалла диода.

Известно, что при напряжениях питания, близких к пороговому значению, зиболеэ ярко проявляется хаотизация выходного сигнала генератора на диоде шнз. Это явление многими авторами саязывается с механизмом случайного (рождения домена. При реализации наиболзэ характерного для современных лодов Ганна режима работы со стационарным анодным доменом этот механизм гсутствуат.

В результате численного моделирования было установлено, что при зпряжениях питания близких к пороговому значению возможна реализация тожных динамических режимов работы генератора на диоде Ганна, при которых теетры выходных сигналов содержат большей набор спектральных составляющих в «зкочастотной области, не связанных целочисленными соотношениями между збой и с частотой спектральной компоненты максимальной мощности. При этом аблюдаетея неравномерное заполнение фазовыми траекториями областей реализации этих составляющих на фазовой плоскости. Для сложных динамических эжимов, возникающих при напряжениях питания много больших порогового,

периодичность колебаний нарушалась апериодическими всплесками, < колебательный процесс образовывался последовательностью колебаний различно! длительности с различными декрементами затухания.

Таким образом, наблюдающийся экспериментально режим генерации лр напряжениях питания, близких к пороговому, может быть описан как сложны! динамический процесс, обладающий выраженной структурой. Расчеты показывают что при использовании конструкций генераторов на диодах Ганна, обладающие значительной величиной теплового сопротивления, наблюдается существенны! саморазсгрев кристалла диода, приводящий либо к регуляризации, либо, напротив, срыву колебательного процесса при напряжениях питания, близких к пороговому Иными словами, улучшая или ухудшая теплоотвод, можно ли6< способствовать хаотнзацин сигнала генератора на диода Гаи на, либ< регуляркзо&ать его.

При напряжениях питания, насколько превышающих пороговое значение может быть реализован режим, при котором наряду с гармониками в спектр выходного сигнала присутствуют субгармонихи основного сигнала/</6 и кратные ей Спектральный состав выходного сигнала при выбраншх параметрах эквивалентно! схемы оказался достаточно устойчивым по отношению к малым изменения! напряжения питания. 8 диапазоне изменения напряжения питания от 3.5 В до 4.51 не наблюдалось изменения кратности основной частоты выходного сигнала п отношению к частоте субгврмоннхи. При напряжениях питания больших 4.5 I субгармоники в спектре выходного сигнала исчезали.

Учет теплового сопротивление прибора вызывает изменение спектр выходного сигнала, характер которого определяется величиной сопротивлени диода Ганна Ка в слабых электрических полях. Анализ полученных результате свидетельствует о том, что самораэогрев диода приводит к уменьшению амплиту, низкочастотных составляющих в спектре выходного сигнала. Фазовый порт ре" характеризующий колебания тока в диоде Ганна свидетельствует о том, что, наряд с уменьшением амплитуд субгармонических составляющих в спектре выход»от сигнала, при самораэогревв диода может наблюдаться переход о периодического к нвазмпвриодичаскому колебательному процессу и к ег последующей хаотнзации.

Как следует из результатов расчета, приведенных на рис. 3, при достаточн высоком сопротивлении диода (10 Ом) увеличение теплового сопротивлени приводит к монотонному уменьшению мощности субгармоники /¡/6. При

(ьзоаании диодов с Д,=7.5 Ом увеличение Лг вызывает немонотонное юние мощности субгармоник в спектре выходного сигнала. В зависимости от

О 25 50 75 100 125 150 Лг.

ДБ

Рнс. 3. Зависимости относительной мощности субгармоники с частотой /¿6 эт теплового сопротивления Лт для различных значений Лд.

юны теплового сопротивления прибора мощность субгармонических вллащих выходного сигнала с ростом сопротивления кристалла диода может зарастать, так и уменьшаться. Однако при значениях Дт ч 100 град/Вт, реально ¡щих шсто на практике, увеличение До приводит к уменьшению мощности рмоник.

В заключения сформулированы основные выгоды, полученные в ходе тноння диссертационной работы.

9 поилозганнн пригодится текст программы, использовавшейся для пирования работы автодинного генератора СВЧ на диоде Ганна с частотным колебательным контуром в цели питания с учетом процесса зазотрава кристалла диода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате теоретического исследования СВЧ-генератора на диоде Генка установлено, что с ростом электрического сопротивления полупроводниковой структуры диода увеличивается максимальная длительность импульса питания, при которой обеспечивается заданное значение нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинного детектирования генератора на диоде Ганна, обусловленной изменением теплопередачи и температуры окружающей среды.

2. Установлено, что изменение сопротивления диода Ганна в слабых электрических полях за счет изменения подвижности носителей заряда оказывает более сильное влияние на величину нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинного детектирования генераторов на их основе, чем за счет аналогичного изменения площади сечения кристалла диода или концентрации носителей.

3. Установлено, что при увеличении площади сечения кристалла диода или концентрации носителей заряда наблюдается более значительное увеличение выходной мощности генерируемого излучения, чем при аналогичном увеличении подвижности.

4. Теоретически установлено, что при повышении температуры кристалла диода Ганна происходит подавление высших гармоник в спектре выходного сигнала, что позволяет объяснить известный экспериментальный факт повышения "чистоты" спектра выходного сигнала генераторов на диодах Ганна после установления стационарного теплового режима работы.

5. Установлено, что при малых значениях теплового сопротивления генератора на диоде Ганна зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер. При больших значениях теплового сопротивления зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна'монотонно убывает.

6. Установлено, что наблюдающийся экспериментально в диодах Ганна режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может быть охарактеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой. При этом саморазогрев полупроводникового кристалла диода вызывает регуляризацию колебаний, что может быть достигнуто уменьшением теплоотвода.

гвновлоно, что при напряжениях литания, несколько превышающих пороговое чвнмв, саморазогрев кристалла диода Ганна приводит к переходу от «одического к кваэипориодичесхому колебательному процессу и его ггоэации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

июа Д. А., Скрипаль А. В., Авдеев А. А., Бабаян А. В. Эффект автодинного -вотирования в генератора на диода Ганна с низкочастотным колебательным туром в цепи литания// Радиотехника и элвкгроиика.-1996.-Т.46, №12.-0.1497-Ю.

5ноа Д.А., Скрипаль А.В., Аодгзп А А., БвСаян А.З. Эффект автодинного актирования в многоконтурном генератора на диоде Ганна // Тез. докл. Ill »российской научно-технической конференции с международным участием туальный проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники*, 8-13 ггября 199S г.-Дивноморсаэе: Изд. Таганрогского РТУ.-1993.-С.108.

шов ДЛ., Скрипаль A.D., Авдзсэ АА., Бабаян A.Q. Детекторный эффект а зпжонтурном гвнараторэ на диоде Ганна II Тез. докп. Международной научно-нической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения ЭП-96*, 10-12 сентября 1998 г.-Часть I.-Саратов: Изд. СГТУ.-1996.-С.44-45.

гмоа Д.А., Скрмпаль A.Q., Бсбалн A3. Взаимосвязь сопротивления диодов 1нз а слабых электрических пелях с термостабильностью и выходной цностью генераторов на их осноеэ II Изв. ВУЗоа-Электроника.-1997, ito5.-C.31-

stioD RA., Скрмпаль A.B., Бабаян A.B. Взаимосвязь сопротивления диодов (на в слабых электрических полях с характеристиками генераторов на их юве II Письма в ЖТФ.-1998.-Т.24, Na10.-C.1-7.

анов Д-А., Скрипаль АЛ., Бабаян A.B. Теоретический анализ механизмов табнльности характеристик диодов Ганна, работающих в режиме генерации //

Тез. докл. научно-технической конференции "Электроника и информатика-87*, 2526 ноября 1987 г.-Заленоград.-МИЭТ.-1Э97.-Часть 1.-С.108-109.

7. Бабаян A.B., Усаноа ДА., Скрнпаль A.B. Взаимосвязь параметров диодов Ганна в слабых электрических полях с характеристиками генераторов на их основе // Тез. докл. Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ", 4-8 сентября 1997 г.-Саратов: Изд. СГУ.-1997.-С.107-108.

8. Бабаян А. В. Влияние сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях на характеристики генераторов на их основе // Материалы Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98", 7-9 сентября 1998 г.-Саратоа: Изд. СПУ.-1998.-Честь 1.-С.43-48.

9. Бабаян A.B., Скрнпаль A.B. Влияние температуры на многочастотный режим работы генераторов на диодах Ганна // Тез. докл. IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием 'Актуальный проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", 7-11 сентября 1998 г.-Дивно мо рсхсо: Изд. Таганрогского РТУ.-1998.-С.117-118.

10. Бабсян A.B., У само в ДА., Скрнпаль A.B. Влияние саморазогрева на динамику колебательных процессов в диодах Ганна // Тез. дохл. 5-й Международной школы "Хаотические автоколебания и образование структур ХАОС-98', 6-10 октября 1998 r.-Саратов: Изд. ГосУНЦ "Копледж".-1998.-С.107-108.

Подписано к печати 23.10.98 Тираж 100 экз.

Отпечатано автором

Формат 60x841/16 Усл.-печ. л. 1.0

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

На правах рукописи

БАБАЯН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 621.382

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ САМОРАЗОГРЕВА И НЕЛИНЕЙНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДОВ ГАННА НА ИХ РАБОТУ В РЕЖИМЕ

ГЕНЕРАЦИИ

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков 01.04.03 — радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ доктор физико — математических

наук, профессор Усанов Д. А.

кандидат физико — математических

наук, доцент Скрипаль А. В.

Саратов - 1998

С ОДЕ РЖАН И Е

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4

I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ НА ДИОДАХ ГАННА..............................................................,....................................12

1.1. Моделирование физических процессов в диодах Ганна в схемах СВЧ.....................................................................................................14

1.1.1. Математическая модель диода Ганна....................................14

1.1.2. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна.............18

1.2. Анализ состояния исследования эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ приборах........................23

1.3. Современное состояние исследований эффекта саморазогрева диода Ганна.........................................................................28

II. ЭФФЕКТ АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В СВЧ ГЕНЕРАТОРЕ НА ДИОДЕ ГАННА С НИЗКОЧАСТОТНЫМ КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ В ЦЕПИ ПИТАНИЯ.................................35

2.1. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна........ 35

2.2. Математическая модель автодинного СВЧ генератора на

диоде Ганна....................................................................................................40

2.3. Особенности проявления эффекта автодинного детектирования в СВЧ генераторах на диодах Ганна при изменении нагрузки в СВЧ— и НЧ— цепях..........................................47

III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

СОПРОТИВЛЕНИЯ ДИОДОВ ГАННА В СЛАБЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ С ЧАСТОТОЙ, МОЩНОСТЬЮ И СИГНАЛОМ АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ..................................................................................................................52

3.1. Математическая модель генератора на диоде Ганна с учетом влияния саморазогрева диодной структуры...........................................53

3.2. Переходный процесс установления стационарного режима работы генератора на диоде Ганна...........................................................56

3.3. Температурные коэффициенты частоты, мощности, детектируемого тока и модуляционные чувствительности по частоте, мощности и детектируемому току............................................65

IV. ВЛИЯНИЕ САМОРАЗОГРЕВА ДИОДОВ ГАННА НА СПЕКТР

ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ГЕНЕРАТОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ.......................70

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................82

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................84

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

К перспективным научным направлениям на стыке современной радиофизики и физики полупроводников можно отнести исследование физических процессов в полупроводниковых элементах, используемых для генерации СВЧ колебаний, таких как биполярные и полевые СВЧ транзисторы, лавинно—пролетные диоды, диоды Ганна и туннельные диоды, с учетом влияния на режим работы генераторов на их основе электродинамических систем, в которых они размещены.

Отличительными особенностями полупроводниковых СВЧ генераторов являются малые габариты, вес, низкая мощность, потребляемая от источника питания, возможность использования одного устройства для обеспечения различных радиофизических функций. К числу физических явлений, использование которых позволяет создать устройства, допускающие совмещение различных радиофизических функций, относится эффект автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах. СВЧ генераторы, работающие в режиме автодинного детектирования, могут быть использованы для контроля параметров технологических процессов, измерения перемещений, скоростей, ускорений, направления движения движущихся объектов, фотопроводимости, химического состава вещества, влажности, проводимости, диэлектрической проницаемости, толщины слоев металлодиэлектрических структур.

Область практического применения могла бы быть еще более расширена, если бы удалось понизить нестабильность их работы во

времени, связанную с нелинейностью их импеданса и воздействием различных внешних и внутренних факторов. Тепловые эффекты при этом играют одну из определяющих ролей, усиливая другие механизмы дестабилизации работы генераторов, связанные с особенностями технологического процесса изготовления активных полупроводниковых элементов.

Тепловые процессы в полупроводниковых приборах к настоящему времени изучены не достаточно полно. Экспериментальные исследования их влияния усложняются в связи с затруднениями, возникающими при контроле температуры полупроводникового кристалла.

Проведении теоретических исследований связано с необходимостью в решении сложной системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих колебательные процессы в полупроводниковой структуре, наряду с уравнением теплового баланса. Поэтому большинство исследователей предпочитают использование упрощенных моделей генераторов и проведение теоретических и экспериментальных исследований, полагая, что температура полупроводникового кристалла фиксирована.

Отказ же от упрощенных моделей полупроводниковых структур, учет влияния электродинамической системы и описание динамики тепловых процессов может позволить выявить ранее не известные особенности в работе генераторов на основе таких структур.

С учетом вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы: исследование особенностей многочастотных режимов работы генераторов на диодах Ганна с учетом нелинейности их

импеданса, эффектов автодинного детектирования и саморазогрева диода.

Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы

состоит в следующем:

• Предложена и исследована модель многоконтурного СВЧ генератора на диоде Ганна, позволяющая оперативно исследовать особенности режимов его работы с учетом тепловых процессов в полупроводниковой структуре.

• Описана теоретически взаимосвязь сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощностью, частотой и сигналом автодинного детектирования генераторов на их основе.

• На основе численного моделирования с учетом эффекта саморазогрева полупроводникового кристалла описан режим многочастотной генерации диодов Ганна. Показано, что при малых значениях теплового сопротивления генератора на диоде Ганна зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер. При больших значениях теплового сопротивления зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна монотонно убывает.

• На основе численного моделирования описано влияние саморазогрева диодов Ганна на спектр выходного сигнала генераторов на их основе. Установлено, что режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может быть характеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой. При этом саморазогрев полупроводникового кристалла диода вызывает регуляризацию

колебаний. При напряжениях питания, несколько превышающих пороговое значение, саморазогрев кристалла диода Ганна приводит к переходу от периодического к квазипериодическому колебательному процессу и его хаотизации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Максимальная длительность импульса питания, при которой обеспечивается заданное значение нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинного детектирования генераторов на диодах Ганна, обусловленной изменением условий теплопередачи и температуры окружающей среды, увеличивается с ростом электрического сопротивления полупроводниковой структуры диода.

2. Изменение сопротивления диода Ганна в слабых электрических полях за счет изменения подвижности носителей заряда оказывает более сильное влияние на величину нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинного детектирования генераторов на их основе, чем за счет аналогичного изменения площади сечения кристалла диода или концентрации носителей. Увеличение площади сечения кристалла диода или концентрации носителей заряда приводит к более значительному увеличению выходной мощности генерируемого излучения, чем аналогичное увеличение подвижности.

3. Повышение температуры кристалла диода Ганна приводит к подавлению высших гармоник в спектре выходного сигнала. Такая зависимость мощности высших гармоник от степени разогрева полупроводникового кристалла позволяет объяснить известный экспериментальный факт повышения "чистоты" спектра выходного сигнала генераторов на диодах

Ганна после установления стационарного теплового режима работы.

4. При малых значениях теплового сопротивления генератора зависимость величины субгармонических составляющих выходного сигнала от электрического сопротивления диода Ганна носит немонотонный характер, а при больших значениях теплового сопротивления монотонно убывает.

5. Наблюдающийся экспериментально в диодах Ганна режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может бьггь охарактеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой, причем саморазогрев кристалла вызывает регуляризацию колебаний. С ростом напряжения питания саморазогрев кристалла диода приводит к переходу от периодического к квазипериодическому колебательному процессу и его хаотизации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 118 страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 83 страницы, включая 25 рисунков. Список литературы содержит 133 наименования и изложен на 17 страницах.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура и объем работы.

В первом разделе диссертации проведен критический анализ современных исследований, посвященных изучению многочастотных режимов работы СВЧ генераторов на диодах Ганна, моделированию протекающих в них физических процессов, изучению характеристик

устройств на их основе. Здесь же определены основные проблемы, изученные недостаточно и требующие дальнейших исследований.

Во втором разделе приведены результаты исследований многочастотных режимов работы генераторов на диодах Ганна с учетом эффекта автодинного детектирования. На основе расчета теоретически показано, что изменение нагрузки в СВЧ— и НЧ — цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Теоретически показано, что наблюдающиеся 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.

В третьем разделе приведены результаты исследования взаимосвязи сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощностью, частотой и величиной сигнала автодетектирования генераторов на их основе. Теоретически показано, что с ростом электрического сопротивления полупроводниковой структуры диодов Ганна в слабых электрических полях одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основе уменьшается величина нестабильности частоты, мощности и сигнала автодинного детектирования генераторов, обусловленная изменением условий теплопередачи и температуры окружающей среды.

В четвертом разделе исследовано влияние процесса саморазогрева на спектр выходного сигнала генераторов на диодах Ганна. Показано, что в зависимости от теплового сопротивления прибора увеличение

электрического сопротивления диода Ганна в слабых электрических полях может приводить как к увеличению, так и к уменьшению величины субгармонических и гармонических составляющих выходного сигнала генератора. Наблюдающийся экспериментально в диодах Ганна режим генерации при напряжениях питания, близких к пороговому, может быть характеризован как сложный динамический процесс, обладающий выраженной структурой. Установлено, что в зависимости от напряжения питания саморазогрев кристалла диода может вызывать либо регуляризацию колебаний, либо переход от периодического к квазипериодическому колебательному процессу и его хаотизацию.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложении приводится текст программы для моделирования работы автодинного генератора СВЧ на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания с учетом процесса саморазогрева кристалла диода.

Достоверность полученных теоретических результатов достигается корректностью сделанных допущений, достаточной строгостью математических моделей, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, хорошей корреляцией результатов расчета с экспериментом.

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета в 1994—1998 гг. Часть исследований осуществлялись в рамках грантов Министерства общего и профессионального образования РФ № 95-3 — 67 (МИЭТ ТУ) и №97 — 5 —

3.2-24 (МИЭТТУ).

Основные положения и достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на Общероссийской научно — технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ —96" в 1996 году в г. Таганроге; Международной научно—технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП — 96" в 1996 году в г. Саратове; Всероссийской научно—технической конференции с международным участием "Электроника и информатика —97" в 1997 году в г. Зеленограде; Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" в 1997 году, в г. Саратове; Общероссийской научно — технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ—98" в 1998 году в г. Таганроге; Международной научно — технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП —98" в 1998 году в г. Саратове; 5—й Международной школе "Хаотические автоколебания и образование структур ХАОС —98" в 1998 году в г. Саратове.

По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 3 статьи в центральных научно—технических журналах, 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Личный вклад автора выразился в самостоятельном выборе математической модели, выводе расчетных соотношений, проведении теоретических расчетов, участии в формулировании научных выводов.

I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ НА ДИОДАХ ГАННА

Исследование механизмов генерации электромагнитных колебаний СВЧ с помощью полупроводниковых диодов до настоящего времени является одним из основных направлений радиофизики и физики полупроводников. Наряду с биполярными и полевыми транзисторами, развитие технологии которых за последнее время привело к большим достижениям в продвижении в область все более высоких частот и мощностей, СВЧ полупроводниковые диоды продолжают составлять современную элементную базу для создания многофункциональной, высоконадежной, малогабаритной и экономичной аппаратуры.

Несмотря на преимущество транзисторов по шумовым характеристикам и сравнительно малой потребляемой мощности, СВЧ диоды составляют им достойную конкуренцию, а в ряде случаев и превосходят их по определенным показателям. Генераторные диоды СВЧ, благодаря успехам современной технологии, обладают существенными преимуществами по максимальной частоте генерации, выходной мощности на высоких частотах, надежности, технологичности и массогабаритным характеристикам. Выделенные в особый класс электронных приборов, полупроводниковые диоды с отрицательным сопротивлением работают в диапазоне частот 0.1 — 340 ГГц, обеспечивая непрерывную выходную мощность до 10 Вт в сантиметровом диапазоне,- в дециметровом диапазоне мощность импульсного генератора на диоде Ганна может прев