Исследование влияния СВЧ-излучения высокого уровня мощности на структуры с p-n-переходом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Мб о л

23

На правах рукописи

УГРЮМОВА НАДЕЖДА ВИКТОРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО ^ТОВНЯ МОЩНОСТИ НА СТРУКТУРЫ С ^-ПЕРЕХОДОМ

01.04.10 - физика по^ироводннхов и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соисханне ученой степени кандидата фшико-матема-шческнх яаук

САРАТОВ - 1998

Работа выполнена на кафедре фишки твердого тела Саратовского государственного университета.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, .

профессор Усанов Д. А.

кандидат физико-математических наук, докент Скрипаль А.В. Официальные оппоненты: доктор фнзнхо-мзгедотическнх наук,

профессор Роках А.Г. доктор фвззхо-математаческих наук, профессор Скинодш Н.И.

Ведущая организация: НИЦ "Алмаз-Фазотрон"

г. Саратов

«

Зашита диссертации состоится 10 декабря 1998 г. в 15.30 на заседании специализированного совета Д.063.74.01 Саратовского государственного университета по специальности

01.04.10-фкзикалслулроводшхков идаалгктриков

410026, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Авторефератразослан 5 ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /Аникин В.М-/

к,ф.-м.и-, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Применение в СВЧ-диапазоне полупроводниковых элементов создает реальные условия для дальнейшего прогресса в различных областях науки и техники.

Важным фактором, стимулирукншш проведение исследований физических явлений в полупроводниках на СВЧ, является открытие новых эффектов, позволяющих разрабатывать «овые полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн, генерации и усиления высокочастотных колебаний.

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 элементам. Стараясь более строго решить электродинамическую задачу, авторы часто представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрошенные модели. Взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами с учетом сложного характера его распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала к настоящему времени, попрежнему можно считать недостаточно изученным?

При описании свойств полупроводниковых структур на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольт-амперную хасактеристику, импеданс). Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах. В то же время ясно, что с. увеличением уровня воздействующей СВЧ-мошности возмогло существенное изменение свойств полупроводниковых структур.

Описание изменения вида вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур при воздействии на них высокого уровня мощности СВЧ-сигнала и теоретический расчет возникающих при этом участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением до настоящего времени не проводились. "

Цель диссертационной работы

Изучение влияния СВЧ-излучения на вид вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур на основе р-п-переходов с учетом детектотшого

эффекта, разогрева свобовдых носнтелей'заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня мощности воздействующего на них СВЧ-

сигнала.

Научная новизна

¡.Впервые теоретически ощкаи экспериментально наблюдавшийся эффект возникновения отрнцательного_гп1фференш1ального сопротивления Л-типа на кольт-амперных характеристиках /з^-д—я-диодных структур и структур на основе невырожденного />->г-перехода -при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мошпости.

2. Впервые экспериментально обнаружено наведение на вольт-амперных характеристиках диодов с невырожденным />-л-переходом ¿'-образных участков под действием СВЧ-излучения.

3. Впервые обнаружена взаимосвязь эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик /»-«-переходов в сильном СВЧ-поле.

4. Впервые обнаружено возникновение режима отршвтельнош дифференциального сопротивления н Переключения, при последовательном включении с туннельным диодом сопротивления, под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения.

Достоверность полученных 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 ^мерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ, успешным использованием на практике приборов. в основу работы которых положены результаты проведенных исследований.'

Ирак 1 ическая значимость работы

• Наведение отрицательного дифференциального сопротивления па вольт-амперных характеристиках /»-/-«-диодных структур и структур на основе.невырожденного «-«-перехода высоким уровнем СВЧ-мошности может быть использовано при создании генераторов и усилителей I управляемым СВЧ-полги отрицательным сопротивлением.

» Эффект возникновения на вольт-амперных характеристиках диодов с невырожденным /»-/¡-переходом участков ¿"-типа при воздействии на них СВЧ-

излучения, представляет интерес ках для понимания физики взаимодействия СВЧ-излучения с полупроводниковыми структурами, так и при определении условий эксплуатации полупроводниковых приборов на основе струкгур с р-п-переходом.

• Обнаруженный эффект возникновения генерации и режима переключения в туннельном диоде при последовательном соединении сопротивления при подаче СВЧ-мощности при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения, позволяет создавать генераторы, включаемые и управляемые ¡шедшим СВЧ-сигналом. "

Основные положения, выносимые на защиту

1. Учет детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной ВЧ-мощности позволяет адекватно объяснить экспериментально наблюдаюпгтйся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных ха-

. рактеристиках р-/-я-диодных структур и диодных структур на основе невырожденного р-я-перехода при воздействвд на них высокого уровня СВЧ-мощности.

2. Дополнительный нагрев кристалла диода при воздействии на него высокого уровня СВЧ-мощности не приводит к качественному изменению вида вольт-амперной'характеристики диода на основе невырожденного р-н-перехода при возникновении на ней падающего участка, а лишь вызывает его сдвиг в сторону меньших значений напряжения прямого смещения.

3. Воздействие внешнего СВЧ-снгеала на полупроводниковые структуры нр. основе невырожденных р-л-переходов может привозить к возникновению на вольт-амперных характеристиках диодов участков отрицательного дифференциального сопротивления 5-типа.

4. Эффективность умножения частоты диодов на основе невырожденных р-п-лереходов зависит от вида их вольт-амперных характеристик, качественным образом изменяющихся в сильном СВЧ-поле. Уровень могцности генерируемых гармоник на выходе умножительного диода максимальна при напряжениях смещения, соответствующих экстремуму на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода в сильном СВЧ-поле.

5. При последовательном включении с туннельным диодом сопротивления возможно возникновение режима отрицательного дифференциального сопротивления и переключения под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения.

Реализация' редультатев в иарсеагом хбзямстве .

Исследования вьшолнены в соответствии с грантами Министерства общего и профессионального образования РФ:.

• '.994-1995 г.г. № 94-1-74 «Исследование влияния греющих СВЧ-полей на характеристики приборов с туушелы/о-тоикими переходными слоями», № гос. Регистрации 01940005020; « 1995-1997 г.г. № 95-3-67 (МИЭТ ТУ) «Исследование взаш лсвязи выходных характеристик приборов на основе актуальных полупроводниковых элементов СВЧ-диапазоиа с параметрами полупроводниковых структур в слабых полях»; «■ 1997-1999 г.г. № 97-5-3.2-24 "Исследование эффекта возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольттамлерных характеристиках /»-/-«-диодных структур и диодных структур на основе /т-л-перехода при воздействии на них СВЧ-мопшости".

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

1. IV Всерос. научно-тех.. торф, с международным участием «Актуальные про' блемы твердотельной электроники и микроэлектроники» в Таганроге в 1997 г.

2. Всерос. межвуз. научной конф. «Совремешше проблемы электроники и радиофизики СВЧ», в Саратове в 1997 г.

3. междун. научно-тех. конф.. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98», в Саратове в 1998 г.

4. V Всерос. научно-тех. конф. с международном участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и мшфоэлекгроники», в Таганроге в 1998г.

5. "Conference Proceedings Mikon-98" в Кракове в 1998 г.

6 а также на научном семинаре кафедры физики твердого тела Саратовского госуниверситета.

Публикации ,

Опубликовано 2 статьи в центральных научно-технических журналах, текст доклада на международной научно-технической конференции в Польше MIKON-98, 4 тезиса докладов на республиканских научно-технических конференциях.

Личный вклад автора выразился в самостоятельном выводе расчетных соотношений, позволяющих описать экспериментальные результаты, выборе

математической модели, проведении всего объема расчетных и экспериментальных работ, участии в формулировании научных выводов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти разделов, имеющих подразделы. Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 102 страниц, включая 25 рисунков. Список литературы состоит из 124 наименований и изложен на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе проведен критический анализ современных иссл-доза-ний, посвященных изучению взаимодействия СЬЧ-излучеиия высокого уровня мощноста с полупроводниковыми структурами ка основе р-я-переходов.

Пока31но, что воздействие СВЧ-излучения на г.олупрозодниковые структуры ,\<о;хет приводить к существенному изменению их характеристик: появлению или исчезновению на ВАХ участков отрицательного' сопротивления, генерации субгармонических составляющих и шума, модуляции, шстерезисного характера зависимостей их характеристик. Отмечено, что теоретотеского описания этих эффектов проведено не было.

Во второй разделе представлены результаты теоретического анализа влияния СВЧ-излучения высокого уровня мощности на вид ВАХ />-/-я-диодов.

При теоретическом анализе влияния зысокого уровня СВЧ-мощности на вид вольт-амперных характеристик полупроводниковых стпуктур на основе р-н-перехода учитывались: изменение постоянной составляющей тока, протекающего через структуру, вследствие детекторного эффекта; разогрев свободных носителей заряда и зависимость импеданса полупроводниковой структуры ог уровня входной СВЧ-мощности. Нелинейные сопротивления области пространственного заряда (ОПЗ) и квазинейтральной области базы (КНО) определялись как средние сопротивления по первой гармонике СВЧ-тока. Эффект разогрева -свободных носителей заряда учитывался введением температуры "Гп, Т , отличной от

температуры решетки Т0:

I =

\кт0\ т, ) кт„)

ехр

яУк

кТп

дГ

Т„ ) кТ„

-1

Амплитуды СВЧ-иапряжений , определялись по величине поглощенной

р-Ьп-диодом СВЧ-мопшости.

' (2 ' I : 2

IV,г V,-

гя,

2Я,

, где

V =¥ - -' А', I

К} ф + а>2с,2н;

Для вычисления величины поглощенной СВЧ-мощности использовалось выражение:

где Рс - падающая на диод СВЧ-мощность,

N = --

У

2Г0

- коэффициент отражения СВЧ-сигнала от диода,

- коэффициент прохождения СВЧ-снгнала, .

- входная проводимость линии передачи в плоскости включения диода. Расчеты, выполненные с использованием вышепри-, веденной модели, показали, что при подаче СВЧ-сигнала на р-1-п-диод, при нулевом и отрицательных смещениях, , основная часть мощности поглощается в ОПЗ. С ростом прямого смещения ток, протекающий через р~1-п-зш од монотонно увеличивается. Увеличение напряжения сме-1'ис. 1 щения до определенной величи-

ны, зависящей от величины мощности СВЧ-сигнала, приводит к резкому уменьшению амплитуды переменного напряжение на ОПЗ и увеличению на

«00 V., ыъ

" 9 1

КНО. Наблюдается уменьшение величины продетектированного сигнала, и, как следствие, на вольт-амперной характеристике р-1-п-диода возникает область отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) (рис.1).

Дальнейшее увеличение положительного смещения приводит к увеличению полной проводимости /?-1-л-диода, Что вызывает резкое возрастание отраженной СВЧ-модшости. Таким образом, продетектированный ток с ростом напряжения смешения уменьшается, и это приводит к появлению на ВАХ р~1-н-днода второго участка с отрицателы1ьш.дифференпиальным сопротивлением.

При дальнейшем увеличении прямого смещения уровень поглощенной СВЧ-мощности становится незначительным, и ВАХ р-\~п-диода принимает вид, характерный для отсутствия СВЧ-сигаала.

В третьем разделе приведены результаты исследования влияния греющего СВЧ-поля на вид вольт-змперпых характеристик диодных структур на основе невырожденного /»-.»¡-перехода.

В экспериментах СВЧ-диоды монтировались в шпсрополосковой линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Измерения проводились в диапазоне температур от 300 до 400 К.

На рис.2 приведены экспериментальные вольт-амперные характеристики ОВЧ-дяода для различных значений мощности входного СВЧ-сигнала. Как следует из результатов эксперимента при увеличении входной мощности на вояьт-амперных характеристиках диодов появляется область отрицательного дифференциального сопротивления. ; а | ' ■' ' •'

. Увеличение температуры кри- " 11

сталла диода в интервале от 300 до 400 К не приводило к ¡ачественвому изменению вольт-амперных характеристик диода При отсутствии СВЧ-сигнала увеличение температуры кристалла лишь увеличивало прямой ток, а при воздействии СВЧ-издучения участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением сдвигался • в сторону меньших значении прямого смещения.

Для теоретического описания данного эффекта использовалась эквивалентная СВЧ-схема мнкрополосковой линии передачи, нагруженной

на согласованную нагрузку, с параллельно включенным СБЧ-диодом.

80

60

40

20

\ М

А-ЗОО мЗ

Г„=100 _ _ / /

У

о

-200 0 .200 400 600 800 мВ

-■ Рас. 2

Для учета разогрева свободных носителей заряда и вычисления амплитуды СВЧ-напряжения, применялась методика, чспользованная при анализе влияния СВЧ-мощности на р~!-п-диодные структуры. Расч-гг изменения ВАХ при тепловом разогреве кристалла диода основывался на учете температурных зависимостей основных параметров полупроводникового кристалла.

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. С . ростом прямого смещения на диоде, вследствие уменьшения сопротивления диода и увеличения емкости полупроводниковой структуры, наблюдается существенное увеличение отраженного . сигнала, приводящее ;< значительному уменьшению величины поглощенной напряжения. Поэтому наблюдалось

«о

60

40

20

о

т^зоо к

-200 О 200 400 .600 НОО

К, .МВ

Рис. 3

мощности и амплитуды переменного уменьшение продетектированного сигнала, то есть, на вольт-амперной характеристике возникала область СДС. При больших положительных смещениях уровень поглощенной СВЧ-мощноетя становился незначительным, и ВАХ диода

принимала вид, характерный* для отсутствия СВЧ-снгкала (рис. 3).

Рост температуры решетки приводил к уменьшению кон-таиной разности потенциалов, " вызывающему уменьшение сопротивления диода при меньших значения* напряжения прямого смещения. Таким образом, область ОДС на ВАХ диода сдвигалась в сторону меньших постоянных напряжений. Сопоставление V, мВ экспериментальных и теоретических результатов показало возможность использования приведенной выше модели дла адекватного описания эффекта, возникновения ОДС на

В АХ структур ка основе />-и-перехода (рис.З). Проведенные дополнительные экспериментальные исследования, свидетельствуют о том, что при воздействии СВЧ-мощности на ВАХ диодов с невырожденным р-п-переходом возможно также появление выраженного ^-образного участка (рис.4). Причем, при прекращении СВЧ-воздействия вольт-амперная характеристика диода принимала исходный, характерный для диодных структур с вевырожденным- р-п-переходом, вид. .

Четвертый раздел посвящен исследованию взаимосвязи эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик умножи-телъных диодов на основе незыроизденных/>-я-переходов.

Представлены результаты экспериментального исследования умножи-тельных свойств диодов на основе невырожденных /?-п-перехсдов. Показано, что при высоких уровнях еходного СВЧ-скгиала, максимумы мощностей, генерируемых как второй, так и четвертой, гармоник выходного сигнала наблюдались при напряжениях смещения вблизи, появляющегося при воздействии СВЧ-сигнала, экстремума на вольт-амперной характеристике диода.

В результате численного решения скотемы дифференциальных уравнений, описывающих эквивалентную схему ьолупроводнихового,диода, помещен-

Л/Л.

дБ -20

-30

-40

-50

/с, мА 100

80 60

нош в СВЧ-резонатор, методом Рунге-Кутта были рассчитаны гармонические составляющие тока, определены их амплитуды и рассчитаны мощности гармоник на выходе умножителя.

Сопоставление расчетных зависимостей ■ уровней мощности второй и четвертой гармоник от напряжения смещения с вольт-амперной характеристикой диода позволяет сделать вывод: максимумы уровней мощности второй и четвертой гармоник на выходе умнежительного диода достигаются при напряжениях смещения, соответствующих, появляющемуся при воздействии сильного СВЧ-поля, экстремуму на ВАХ диода (ряс.5).*

-200

200 <И0 Рис.5

600 И», мВ

—! 20 |

—! о

Установленная взаимосвязь обусловлена изменением вида вольт-амперной характеристики.и увеличением степени ее нелинейности при прямых смещениях под действием высокого уровня СВЧ-мощности.

Представлены расчетные зависимости мгновенных значений тока в СВЧ-резонаторе от времени для различных постоянных напряжений на диоде. Отмечено, что при напряжении 450 мВ, соответствующем области экстремума тока ка ВАХ дао да,, зависимость тока от времени существенным образом отличается от гармонического закона и богата высокочастотными составляющими. При напряжениях питания 600 мВ, соответствующих области линейной зависимости тока от напряжения, амплитуда переменного тока уменьшается, а форма зависимости тока от времени становится близкой к синусоидальной.

В пятом разделе приведено теоретическое "описание эксперимиггалыю обнаруженного эффекта возникновения участка отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике. туннельного диода под воздействием внешнего СВЧ сигнала для случаев, когда напряжение смещения на диоде в отсутствие СВЧ сигнала существенно меньше пикового значения.

Отмечено, что воздействие СВЧ-сигналп на туннельный диод приводит к увеличению его сопротивления по постоянному току в области преобладания туннельной компоненты полного тока и уменьшению в области преобладания

диффузионной компоненты полномА ' го тока. •

Такое изменение ВАХ туннельного диода приводит к тому, что в области положительного на-, клона ВАХ вблизи нулевого*смещения величина напряжения, падающего на •'укнельном диоде У0, при фиксированном значении подаваемого смещения с ростом мощности СВЧ-сигнала увеличивается. а на второй восходящей ветви ВАХ амплитуда падения напряжения на туннельнрм диоде-уменьшается. С ростом мощности участок резкого возрастания напряжения на диоде на зависимости V'0 (Г^) смещается в сторону меньших значений Р^. При увеличении мощности внешнего СВЧ-снгнала, до некоторого значения Рр, ре-личина достигает значения, соответствующего началу падающего участка на ВАХ туннельного диода, и происходит резкое перераспределение постоянных

с„»В

напряжений между туннельным диодом и последовательным сопротивлением, при котором рабочая точка ('0 переходит вдоль нагрузочной прямой через область ОДС в точку, расположенную на восходящей ветви ВАХ туннельного диода (рпс.6). Этот эффект и наблюдался в эксперименте. <

Таким образом, теоретически обоснованы экспериментально обнаруженные режимы отрицательного дифференциального сопротивления и переключения в туннельном диоде, возникающее под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питатйы на диоде, не достигающих пикового значения. Выяснены причины существования диапазонов напряжений смешений на диоде и уровней мощности СВЧ-сигнала, в которых наблюдается обнаруженный эффект.

" ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Впервые предложена модель, позволяющая адекватно объяснить экспериментально наблюдающийся эффект возникновения отрицательного дифференци-атьного сопротивления на вояьт-амперных характеристиках р-/-л-диодных структур и. диодных структур на основе невырожденного />-п-перехода при

• воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

2. Впервые экспериментально обнаружено, что воздействие- внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры на основе невырожденных р~п-переходэв может приводить к возникновению на вольт-амперных характеристиках диодов участков отрицательного дифференциального сопротивления л-тнпа.

3. Обнаружено, что эффективность умножения частоты диодов на основе невырожденных />-л-переходов зависит от вида их вольт-амперных характеристик,

• качественным образом изменяющихся в сильном СВЧ-поле. Показано, «сто мощность генерации гармоник на выходе умножительного диода максимальна при напряжениях смещении, соответствующих появляющемуся, экстремуму на прямой йетви вольт-ампернон характеристики диода в сильном СВЧ-поле.

4. Показано, чго при напряжениях питания на туннельном диоде, не достигающих пикового значения, воздействие внешнего СВЧ-снгнала приводит к появлению на ВАХ диода участка с отрицательным сопротивлением. Установлены диапазоны напряжений смещений на диоде и уровни мощности СВЧ-сигнала, в которых наблюдается обнаруженный эффеы. .

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Угрюмова Н.В. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диодных структурах на основе р-п-перехода при воздействии СВЧ-излучения//ФТП. 1998. №11. С. 1399-1402.

2. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Угрюмова Н.В. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в р-;-/г-диодкых структурах при воздействии СВЧ-излучения // Изв. вуз. Электроника. 1997. №3-4. С. 48-52.

3. Usanov D.A., Skripal A.V., Ugryumova N.V. New mechanism of Initation of Negative Differential Resistance in the structures based on P-N-junctions on Exposure to Microwave Radiation // Conference Proceedings Mikon-98. Inter. Conf. On Microwaves Radar Poland Krakow. May 20-22, 1998. V.l. S.77-78.

4. Угрюмова H.B., Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Эффект возникновения отрицательного сопротивления на.вольт-ампернь.х характеристиках p-i-n-диодов при воздействии СВЧ-излучения // Тез. докл. Всерос. межвуз. научной конф. «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ», 4-8 сентября 1997 г. Саратов: Гос. УНЦ «Колледж», 1997. С.. 134-135.

5. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Угрюмова Н.В. Возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в p-i-л-диодах при воздействии СВЧ-излучения // Тез. докл. IV Всерос. научно-тех. конф. с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники/», 7-12 сентября 1997 г. Дивноморское: Изд-во Таганрогск. РТУ, 1997. £.69-

Ь\.

6. Усанов Д А.. Скрипаль A.B!, Угрюмова Н.В. Вольт-ам~ерные характеристики диодов на основе /т-/г-перехода при воздействии СВЧ-излучения // Материалы межд}т1. научно-тех. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98», 7-9 сентября 1998 г. Саратов: СГТУ, 1998. С. 265-267.

7. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Угрюмова Н.В. Наведение ¿'-образных участков на вольт-амперных характеристиках даодов на основе невырожденных р-п-переходов под действием СВЧ-излучения // Тез. докл. V Всерос. каучно-тех. конф. с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», 5-11 сентября 1998 г. Дивноморское: Изд-во Таганрогск. РТУ, 1998. C.J¿0. '



/ ' t/u

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

УГРЮМОВА НАДЕЖДА ВИКТОРОВНА

УДК 621.373

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ НА СТРУКТУРЫ С Р-А/-ПЕРЕХОДОМ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

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 A.B.

САРАТОВ - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИСЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СТРУКТУРАМИ

НА ОСНОВЕ Р-^-ПЕРЕХОДА................................................................................. 11

1.1. Воздействие сильного СВЧ-поля на вольт-амперные характеристики

диодов на основе невырожденных/»-^-переходов.....................................................13

1.2. Воздействие С В Ч-из лучения на вольт-амперные характеристики

диодов на основе вырожденных /-«-переходов.........................................................24

1.3. Влияние СВЧ-разогрева и внешних воздействий

на вольт-амперные характеристики диодов на основе /»-«-переходов......................28

2. АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ УЧАСТКОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ

Р-Ш-ДИОДНЫХ СТРУКТУР ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ............33

2.1. Теоретический анализ факторов, влияющих на вид ВАХ

/»-¿-«-диода при воздействии СВЧ-мощности............................................................33

2.2. Результаты математического моделирования......................................................42

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НАВЕДЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ Р-Ы-ПЕРЕХОДА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ.......................................49

3.1. Экспериментальное исследование и теоретический расчет вольт-амперных характеристик диодов на основе /»-«-переходов при подаче СВЧ-сигнала.............49

3.2. Температурные зависимости вольт-амперных характеристик

СВЧ-диодов на основе /»-«-переходов в сильном СВЧ-поле.....................................61

3.3. Возникновение ^-образных участков на вольт-амперных

характеристиках диодов с /?-«-переходом под действием СВЧ-излучения.............66

4. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВИДА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ Р-А^-СТРУКТУР В СИЛЬНОМ СВЧ-ПОЛЕ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ................................................70

4.1. Экспериментальное исследование взаимосвязи эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик диодов....70

4.2. Теоретический анализ влияния нелинейности

вольт-амперной характеристики на эффективность умножения частоты.................77

5. ВОЗНИКНОВЕНИЕ РЕЖИМА ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

В ТУННЕЛЬНОМ ДИОДЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО СВЧ-СИГНАЛА.....86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

Применение в СВЧ-диапазоне полупроводниковых элементов создает реальные условия для дальнейшего прогресса в различных областях науки и техники. Появление таких типов полупроводниковых приборов СВЧ, как лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна, туннельные диоды и диоды с ограниченным накоплением заряда, р-г-п-диоды, существенно изменило элементную базу, используемую для генерирования, модуляции и приема СВЧ сигналов. Это во многих случаях ведет к изменению коренных принципов конструирования приборов и систем сверхвысоких частот. Классические способы управления СВЧ-мощностью также претерпели значительные изменения с появлением полупроводниковых приборов.

Важным фактором, стимулирующим проведение исследований физических явлений в полупроводниках на СВЧ, является открытие новых эффектов, позволяющих разрабатывать новые полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн, генерации и усиления высокочастотных колебаний [1-10].

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. Стараясь более строго решить электродинамическую задачу, авторы часто представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрощенные модели. Взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами с учетом сложного характера его распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего

СВЧ-сигнала к настоящему времени, попрежнему можно считать недостаточно изученным [11-20].

При описании свойств полупроводниковых структур на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольт-амперную характеристику, импеданс) [21-23]. Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах. В то же время ясно, что с увеличением уровня воздействующей СВЧ-мощности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых структур.

Описание изменения вида вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур при воздействии на них высокого уровня мощности СВЧ-сигнала и теоретический расчет возникающих при этом участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением до настоящего времени не проводились.

На основе вышесказанного была сформулирована цель работы; изучение влияния СВЧ-излучения на вид вольт-амперных характеристик полупроводниковых структур на основе /-«-переходов с учетом детекторного эффекта, разогрева свободных носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня мощности воздействующего на них СВЧ-сигнала.

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

• впервые теоретически описан экспериментально наблюдавшийся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления АГ-типа на вольт-амперных характеристиках /-/-«-диодных структур и структур на основе невырожденного /»-«-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности;

• впервые экспериментально обнаружено наведение на вольт-амперных характеристиках диодов с невырожденным ^-«-переходом ^-образных участков под действием СВЧ-излучения;

• впервые обнаружена взаимосвязь эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик р-и-переходов в сильном СВЧ-поле;

• впервые обнаружено возникновение режима отрицательного дифференциального сопротивления и переключения, при последовательном включении с туннельным диодом сопротивления, под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения.

Достоверность полученных 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 полученных результатов:

• наведение отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках диодных структур и структур на основе невырожденного ^-«-перехода высоким уровнем СВЧ-мощности может быть использовано при создании генераторов и усилителей с управляемым СВЧ-полем отрицательным сопротивлением;

• эффект возникновения на вольт-амперных характеристиках диодов с невырожденным />-/1-переходом участков ¿'-типа при воздействии на них СВЧ-излучения, представляет интерес как для понимания физики взаимодействия СВЧ-

излучения с полупроводниковыми структурами, так и при определении условий эксплуатации полупроводниковых приборов на основе структур с /-«-переходом;

• обнаруженный эффект возникновения генерации и режима переключения в туннельном диоде при последовательном соединении сопротивления при подаче СВЧ-мощности при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения, позволяет создавать генераторы, включаемые и управляемые внешним СВЧ-сигналом.

Основные положения выносимые на защиту;

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

2. Дополнительный нагрев кристалла диода при воздействии на него высокого уровня СВЧ-мощности не приводит к качественному изменению вида вольт-амперной характеристики диода на основе невырожденного р-п-перехода при возникновении на ней падающего участка, а лишь вызывает его сдвиг в сторону меньших значений напряжения прямого смещения.

3. Воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры на основе невырожденных /»-«-переходов может приводить к возникновению на вольт-амперных характеристиках диодов участков отрицательного дифференциального сопротивления ¿"-типа.

4. Эффективность умножения частоты диодов на основе невырожденных р-п-переходов зависит от вида их вольт-амперных характеристик, качественным образом изменяющихся в сильном СВЧ-поле. Уровень мощности генерируемых гармоник на выходе умножительного диода максимальна при напряжениях

смещения, соответствующих экстремуму на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода в сильном СВЧ-поле.

5. При последовательном включении с туннельным диодом сопротивления, возможно возникновение режима отрицательного дифференциального сопротивления и переключения под действием внешнего СВЧ-сигнала при напряжениях питания на диоде, не достигающих пикового значения.

Диссертация состоит из Введения, пяти разделов, имеющих подразделы, Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 102 страницы включая 25 рисунков. Список литературы состоит из 124 наименований и изложен на 11 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 проведен критический анализ современных исследований, посвященных изучению взаимодействия СВЧ-излучения высокого уровня мощности с полупроводниковыми приборами на основе />-«-переходов. Здесь же определены основные проблемы, изученные недостаточно и требующие дальнейших исследований.

Во втором разделе представлены результаты теоретического анализа влияния СВЧ-излучения на рЧ-п-щющл. Приведено объяснение эффекта возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на их стационарных и низкочастотных вольт-амперных характеристиках под действием СВЧ-излучения. Показано, что, изменяя уровень воздействующей СВЧ-мощности, можно существенным образом изменять вид вольт-амперных характеристик. Построена теоретическая модель, учитывающая детекторный эффект, разогрев носителей заряда и зависимость импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности.

В третьем разделе приведены результаты исследования влияния греющего СВЧ-поля на вид вольт-амперных характеристик диодных структур на основе невырожденного ^-«-перехода. Представлены расчетные зависимости уровня поглощенной, отраженной и прошедшей мощности от амплитуды воздействующего СВЧ-сигнала.

Описан эксперимент, в результате которого на вольт-амперной характеристике диода на основе невырожденного />-я-перехода был обнаружен наведенный СВЧ-мощностью участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением £-типа.

Представлены расчетные и экспериментальные вольт-амперные характеристики диода при воздействии на него высокого уровня СВЧ-излучения и дополнительном нагреве кристалла от внешнего теплового источника. Показано, что в рассматривавшихся в работе случаях, разогрев решетки не приводит к качественному изменению вольт-амперных характеристик как при отсутствии, так и при наличии СВЧ-мощности, а лишь вызывает их сдвиг в сторону меньших значений напряжения.

Четвертый раздел посвящен исследованию взаимосвязи эффективности умножения частоты с изменением вида вольт-амперных характеристик умножительных диодов на основе невырожденных /»-«-переходов. В нем представлены экспериментальные и теоретические результаты, показывающие, что максимальная мощность генерации гармоник соответствует напряжениям смещения, при которых на прямой ветви вольт-амперных характеристик.диода в сильном СВЧ-поле наблюдается экстремум. Установленная взаимосвязь, обусловлена изменением вида вольт-амперной характеристики и увеличением степени ее нелинейности при прямых смещениях под действием высокого уровня СВЧ-мощности.

В пятом разделе приведено теоретическое описание экспериментально обнаруженного эффекта возникновения участка отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике туннельного диода под воздействием внешнего СВЧ сигнала для случаев, когда

напряжение смещения на диоде в отсутствие СВЧ сигнала существенно меньше пикового значения. Выяснены причины существования диапазонов напряжений смещений на диоде и уровней мощности СВЧ-сигнала, в которых наблюдается обнаруженный эффект.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы и выводы.

Часть диссертационной работы была выполнена в соответствии со следующими грантами Министерства общего и профессионального образования РФ:

• 1994-1995 г.г. № 94-1-74 «Исследование влияния греющих СВЧ-полей на характеристики приборов с туннельно-тонкими переходными слоями», № гос. Регистрации 01940005020;

• 1995-1997 г.г. № 95-3-67 (МИЭТ ТУ) «Исследование взаимосвязи выходных характеристик приборов на основе актуальных полупроводниковых элементов СВЧ-диапазона с параметрами полупроводниковых структур в слабых полях»;

• 1997-1999 г.г. № 97-5-3.2-24 "Исследование эффекта возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках /-/-л-диодных структур и диодных структур на основе р-п-перехода при воздействии на них СВЧ-мощности".

По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 2 статьи в центральных научно-технических журналах, текст доклада на международной научно-технической конференции в Польше, 4 тезиса докладов на республиканских научно-технических конференциях.

Личное участие автора в этой работе выразилось в самостоятельном выводе расчетных соотношений, позволяющих описать экспериментальные результаты, выборе математической модели, проведении всего объема расчетных и экспериментальных работ, участии в формулировании научных выводов.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИСЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ СТРУКТУРАМИ НА ОСНОВЕ /'-уУ-ПЕРЕХОДА

Структура с /?-«-переходом является двухполюсником, который способен выполнять в схемах различные функции в зависимости от приложенного напряжения, а также от профиля распределения примесей и геометрии образца. Вопросам исследования физических свойств /»-«-перехода посвящено большое число работ, в том числе, например, [11-19,24,25]. Начало поисков путей создания активных полупроводниковых СВЧ приборов было положено статьей Шокли, опубликованной в 1954 году [26]. Дальнейшие исследования, проведенные в направлении продвижения полупроводниковой электроники в СВЧ диапазон, показали большие возможности, которые открывает применение полупроводников в технике СВЧ, а именно - улучшение чувствительности и широкополостности радиоустроуств, повышение их экономичности и надежности, решение проблемы ми�