Механизм преобразования частоты в n-InSb смесителе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕПЛ ЛЕНИНА П ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. И. ЛЕНИНА

Специализированный сонет К 053.01.03

На правах рукопзса

ГРАЧЕВ Сергеи Александрович

МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ В п-1 пБЬ СМЕСИТЕЛЕ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела 01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина.

доктор физико-математических наук, профессор ЛИТВАК-ГОРСКАЯ Л. Б.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник МАНСФЕЛЬД Г. Д.

кандидат физико-математических наук, сгарнпш научный сотрудник ХАПИН 10. Б.

Ведущая организация: Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН.

Защита состоится £^^¥..1992 года в ча-

сов па заседании Специализированного совета К 053.01.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Московском педагогическом государственном университете имени В. II. Ленина (119435, Москва, М. Пироговская ул., д. 29, ауд. 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (Москва, М. Пироговская ул., дом 1, МПГУ имени В. II. Ленина).

Научный руководитель:

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета

ттттггЯАК_горсКАЯ д Б

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Обнаружение линий испускания молекул СО и CN на частотах IIS и 113,5 ГГц, положило начало радиоастрономии миллиметровых волн. К настоящему времени в миллиметровом диапазоне волн (\=*3мм -300 мкм) существует ряд высокочувствительных приемников, основанных на разных физических явлениях. В данном диапазоне длин волн используются приемники со смесительными элементами на диодах с барьером Шоттки СДБШ) [1), сверхпроводящими элементами со структурой сверхпроводник-иэолятор-сверхпроводник (СИС) C1J, смесители на эффекте Джоэефсона [1,23 и полупроводниковый смеситель на основе антимонида индия n-типа Cn-InSb) [3,4,51.

Впервые преобразование частоты в ri-InSb смесителе было осуществлено в середине 60-х годов (31 в диапазоне Х.^8 мм. К настоящему времени известно около десятка работ, посвященных как исследование n-InSb смесителя, так и созданию радиоастрономических приборов на его основе. Такой интерес к n-InSb смесителю связан с тем, что на частотах свыше 150 ГГц он обладает самыми низкими шумовыми температурами Тщ (П. Последние как бы "компенсируют" такие недостатки его как довольно узкую полосу промежуточных частот (=4-2 МГц) и необходимость охлаждения до гелиевых температур. При мощности гетеродина ^10~вВт шумовая температура приемника составляет от 150 К на 115 ГГц до 350 К на 500 ГГц Ц]. К этой характеристике n-InSb смесителя необходимо добавить, что он • представляет сравннительно простоя монокристаллический элемент, являющийся механически прочным устройством не подверженным выгоранию, имеет хороший динамический диапазон и легко согласуется в широкой полосе частот.

Относительно механизма преобразования сигнала в n-InSb смесителе в [3,4,51 предполагается, что он "разогревный": в предельно очищенном и компенсировании n-InSb при гелиевых температурах электроны свободны и слабо взаимодействуют с кристаллической решеткой, приложение СВЧ-мощности (также, как и постоянный ток) приводит к разогреву электронного газа, вследствие чего в условиях рассеяния на ионизованных примесях возрастает их подвижность ¡j. Разогревная модель не только не может обменить ряд особенностей работы смесителя, в частности

уменьшение в магнитном поле потерь преобразования Ь или зависимость коэффициента преобразования от таких параметров материала как концентрация доноров и компенсация К=К но и находится в прямом противоречии с результатами исследования фотопроводимости СФП), поглощения ультразвука и СВЧ-мощности в п-ГпБЬ с К ^ 0,8 Сем.обзор (61 и ссылки там). Из [6] следует, что в предельно очищенном п-1п£Ь при К > 0,8 электроны локализованы на донорных парах типа иона молекулы водорода Н^, а фотопроводимость носит прыжковый характер СПФП). Существование примесных пар следует такке из характера поглощения ультразвука. Таким образом, возникло явное противоречие между результатами комплексного исследования примесной проводимости и примесных состоянии в компенсированном п-1пБЬ и разогревной моделью преобразования частоты в смесителях из этого материала.

Целью работы являлось выяснение механизма преобразования сигнала в п-1пБЬ смесителе, и на основе его определение характеристик смесителя, расчет потерь преобразования смесителя и сопоставление с экспериментом, выяснение условий оптимизации смесителя в зависимости от температуры, напряженности магнитного поля и параметров материала.

В работе проведены комплексные измерения п-1п5Ь-смесителя, включавшие следующие методы исследования:

- изучение коэффициента преобразования смесителя в зависимости от температуры, напряженности магнитного (Н) и электрического СЕ) полей, мощности гетеродина и параметров материала С^, К);

- измерение шумовой температуры смесителя;

- изучение высокочастотной проводимости п-1п2Ь в диапазоне 0.5-10 МГц;

- исследование равновесной проводимости и влияния на нее Е,Н и К

Научная новизна работы состоит в следующем:

- механизм преобразования частоты в пЧпБЬ с N¿-N«<3.10' ,см"1 при Т<4.2 К - фотоиониэационный, причем фотопроводимость осуществляется по примесному уровню протекания;

- введение магнитного поля СН^5 кЭ) не «вменяет ни заселенности примесных состояний, ни концентрации электронов на примесном уровне протекания, уменьшая лишь подвижность последних;

- возрастание коэффициенте преобразования смесителя в магнитном

поле и с понижением температуры определяется уменьшением темновой Сравновесной) проводимости, возможностью увеличения смещения на образце и мощности гетеродина;

- экспериментально определена характерная фононная частота ирЬ для п-ГпБЬ, существенно отличающаяся от приводимых в литературе значений;

- по величине урЬ рассчитана подвижность по примесному уровне протекания и коэффициент преобразования I, хорошо совпадающие с экспериментом.

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая значимость работы заключается в том, что

- показаны границы применимости С по ^ - На и Т) разогревной модели работы смесителя;

- на основании модели прыжковой фотопроводимости рассчитан коэффициент преобразования смесителя в зависимости от параметров п-1п5Ь и внешних условий (напряженности магнитного и электрического полей, мощности гетеродина, температуры);

- для каждого диапазона длин еолн найден оптимальный по параметрам - N ) материал и определена максимальная рабочая температура;

- создан смеситель на Х=2,6 мм с потерями преобразования 7 дБ й Тщ<140 К при Т=1,6 К и Н=4 кЭ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

- республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ужгород, 1979)

VIII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1929)

ХП Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990),

а также на семинарах в ФИАН им.Лебедева и во ФТИ им.А. Ф.Иоффе

РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из

введения, четырех глав и заключения, содержит всего 156 стр.

текста, из них 56 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 66

наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, показана" новизна и значимость диссертационного исследования, изложено краткое содержание работы.

В первой главе "Механизмы равновесной проводимости и фотопроводимости компенсированного n-InSb" сделан обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных смесителям миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн из n-InSb, с одной стороны, а с другой - примесных состояний и механизмов фото- и равновесной проводимости в этом материале- при гелиевых температурах.

В главе дана методика расчета потерь преобразования (L) n-InSb смесителя на основе теории ^ - фотопроводимости (41. Показана неправомочность заключения об адекватности теории эксперименту, поскольку параметр нелинейности С в расчетных формулах берется не из теории (71, а определяется по экспериментальным статическим вольт-амперным характеристикам смесителя.

В то же время сейчас хорошо известно, что при гелиевых температурах в предельно очищенном n-InSb с К£0,8 примесные состояния электронов локализованы, а проводимость и фотопроводимость носят прыжковый характер С8, 91. При изложении материала по механизмам проводимости в n-InSb особое внимание уделено n-InSb с 0,8<К<0,95. где, как показано в [6], при расстоянии между донорами г£4а проявляются квантовые эффекты, приводящие к образованию донорной пары - иона молекулы водорода Н\ Такое внимание не случайно, т.к. с одной стороны для n-InSb смесителей, изготовленных из такого материала, были получены минимальные потери преобразования (5) в мм диапазоне длин волн, а с другой - развитая в 16] теория прыжковой ФП и практика показали, что такой n-InSb приемник в режиме видеодетектирования обладает наибольшей чувствительностью. .

Таким образом в настоящее время сложилась довольно необычная ситуация: установлено, что в предельно очищенном и сильно компенсированном n-InSb СК>0,8) ФП носит прыжковый характер и именно ею обусловлены детектирующие свойства n-InSb,

однако во всех работах, посвященных смесителю, утверждается, что в основе его работы лежит раэогревная модель ФП. Такое положение и задача создания n-InSb смесителя на 115 ГГц для радиоастрономических исследования привели к возникновению настоящей работы, цели и задачи которой сформулированы в конце главы.

Во второй главе-"Техника эксперимента и методика иэмерений"-подробно рассматривается созданная криогенная система, экспериментальные стенды и методика исследования n-InSb смесителя, приводятся параметры образцов и технология их изготовления.

Измерительный стенд на основе двух ламп обратной волны (ОВ-71) дал воэможяость провести исследование и сравнение ФП n-InSb как в отсутствие, так и при наличии мощности гетеродина.

В этом случае одна из ламп СВ являлась источником сигнала Р , а другая - гетеродином PLo, Потери преобразования смесителя вычислялись на основе измерения сигнала промежуточной частоты

Исследуемые образцы n-InSb изготовлялись в виде прямоугольных параллелепипедов размерами 1x1x1.2 мм3 и размещались в 3 мм волноводной камере криогенного макета параллельно узкой стенке волновода так, что одна из диагоналей основания совпадала с осью волновода. Такая конфигурация в сочетании с действием передвижного короткозамыкающего поршня, находившегося за образцом, позволила получить коэффициент отражения СВЧ излучения по мощности от волноводной камеры Г<10'/,.

Эксперименты проводились в широком диапазоне темпе-ратур (Т*1.6 - 77 К), напряженностей электрического Е=0-2 В^см и магнитного Н=0-5кЭ полей. Величина СВЧ мощности изменялась от 10"* до 10~4 Вт. Измерены потери преобразования n-InSb смесителей при различных значениях Т, Е, Н и PLo.

Отдельный параграф посвящен методике измерения высокочастотнрй проводимости n-Ir.Sb сты=сг(и)+ сг (а>) в диапазоне частот 0.5-10 МГц для,разделения вклада в проводимость свободных и локализованных на примесях электроног., для чего был использован измеритель импеданса ВМ-508, Зная параметры четырехполюсника, связывающего ВМ-508 и образец n-lnSb С50-0м коаксиальная линия и

- б -

схема подачи смешения), вычислялась действительная оСи) и мнимая сг'(ы) части проводимости образца.

Измерения времени релаксации ФП были выполнены как по спаду сигнала фотопроводимости п-1п5Ь видеодетектора, так и по исследованию полосы промежуточных частот смесителя. Оба способа дали идентичные результаты, совпадающие с' исследованиями выполненными при изучении прыжковой ФП 16).

Для измерения шумовой температуры и флуктуационной чувствительности смесителя использован стабильный гетеродин, разработанный в проблемной радиофизической лаборатории МПГУ им. В.И.Ленина [10], с использованием шумовой газоразрядной трубки ЭС-1062 с Тш=4200 К на Х=3 мм.

Исследована равновесная и неравновесная проводимости п-1п5Ь (РЬо=0) при различных значениях Т, Е и Н.

Эксперименты выполнены на образцах предельно очищенного п-1пЗЬ с N см"» и К>0.8.

а

В третьей главе -"Физические процессы в п-1п5Ь смесителе"-приведены результаты комплексных исследований фотопроводимости в п-1п5Ь смесителе в условиях, когда Рь * 0.

Изучение неравновесной проводимости п-ГпБЬ Да в зависимости от падающей СВЧ мощности Р, и мощности постоянного тока,

ьо •

рассеиваемой в образце Р , показало, что Да ^Р^, а зависимость Да от РЙС наблюдается только, начиная с некоторых значений Е, соответствующих отклонению вольт-амперной характеристики СВАХ) от закона Ома. Это различие в ДаСРЬо) и ДсКР ) противоречит положению "раэогревной" модели ФП (^-фотопроводимости) о равноправности воздействия СВЧ мощности и мощности постоянного тока, что ставит под сомнение "разогревный" механизм преобразования частоты СВЧ излучения С51. Однако при Е>БПр поле примесного пробоя) зависимости Дст(РЬо) и До^Р^) становятся одного вида и наблюдается ^-фотопроводимость, а потери преобразования резко возрастают.

Для исследуемого п-ГпБЬ (К>0,8) при Е < Епр и Рио=0 характерно наличие двух экспоненциальных участков . на температурной зависимости проводимости а (удельного сопротивления р). которые связаны с ионизацией примесей (3 <Т< 10К) и (при Т < ЗЮ - с прыжковой проводимостью по примесям С с( - и энергии

активации, соответственно) [71. На рис.1 представлены зависимости р(Т) при PLo=0 и оптимальной мощности гетеродина когда

потери преобразования имеют минимальное значение (кривые 1 и 2, соответственно). Видно, что, хотя в результате воздействие Р°"т сопротивление образца падает примерно в 2 раза, на кривой 2 сохраняются оба экспоненциальных участка. И только при PLo > температурная зависимость сопротивления n-InSb в области Т < 3 К практически исчезает (кривая. 3), указывая, по-видимому, jg" на отсутствие активационного механизма проводимости. На этом же ^ рисунке представлена зависимость коэффициента прэобраэоьаниябот температуры (кривая 4), имеющая подобный кривым 1 и 2 вид; она обсуждается в гл. IV. Это один из первых результатов нашей работы, который указывает -на несостоятельность модели преобразования частоты СБЧ излучения, основанной на теории ^-фотопроводимости.

Аналогичные исследования зависимости о(Т) были проведены при различных значениях магнитного поля как в отсутствие, так и при наличии мощности гетеродина. Эксперименты показали, что введение магнитного поля приводит лишь к падению проводимости сохраняя неизменным наклон зависимостей а(Т) как в области высоких, так и низких температур (определяющий соответственно с^ и сз энергии). Таким образом, вплоть до H i 5 кЭ энергии активации остаются неизменными, так как такое H в сильно компенсированном n-InSb слабо меняет волновую функцию вблизи примесного центра, в то время как на существенных для перескоков расстояниях ЧГ,' изменение оказываются сильными, что и определяет уменьшение проводимости С 81. В свою очередь воздействие мощности гетеродина приводит » возрастанию проводимости, при этом сг(Т) несколько

0.3 0.5 TV К'1

Рис. 1

ослабляется, но оба экспоненциальных участка сохраняются.

Используя измерения проводимости n-InSb при Н=3 кЭ и Н=0 и Р°"т в диапазоне температур Т=1.6 - 4.2 К получены температурные зависимости неравновесной проводимости ДсгСТ)~Т. Зависимость вида (Дсг(Т)-Тт) вообще характерна для прыжковой фотопроводимости в полупроводниках, только виличина m неодинакова в разных материалах и варьируется от 1 до 1.8.

Высокочастотная проводимость полупроводников связана с переполяриэацией пар примесных центров, состоящих из заполненного и пустого узлов. Если квант энергии высокочастотного (ВЧ) поля меньше энергетического зазора между уровнями в паре СДГ » hu), то наблюдается релаксационное поглощение, в котором наибольший вклад дают пары с LE kT til). Оценки для исследованного нами n-InSb показывают, что даже при частоте в 20 КГц Ticj «1<Т. В этом случае для действительной и мнимой частей проводимости следует ожидать следующих частотных зависимостей [11]:

а Сю) ^ адгиг'

сг'(ш) ^ ад*ыг4 ^

где а - радиус локализации электрона на доноре, g - плотность состояний на уровне Ферми, г - расстояние между узлами примесной пары, участвующей в ВЧ-проводимости;

г = | In Co/Vr' (2)

(u>ph - характерная фононная частота). Эксперименты по измерению комплексной проводимости n-InSb позволили установить характер воздействия магнитного поля и СВЧ-мощности гетеродина на фотопроводимость образцов. Оказалось, что введение магнитного поля приводит к падению подвижности электронов на примесном уровне протекания С в бесконечном кластере), оставляя неизменной их концентрацию.. В результате частотнонезависимая часть сто полной измеряемой проводимости сг^(со) = а(ш) + сгд уменьшается и зависимость ov(u) определяется ъидом ст(ш), то есть в соответствии с (1). На рис.Н представлены зависимости а(ш) при Т=1.6 К Н=0 и Н=4 кЭ Скривая 2 и 4, соответственно). Видно, что при 4 кЭ ог^ы) ^ ш, а при Н=0 сг^Ссо) = = /Зш *'cro, где /3 - const, ао-проводимость по бесконечному кластеру Спримесному уровню протекания). В то же время измерения на переменном токе позволили определить характер воздействия СВЧ мощности гетеродина Р на

п-Гг&Ь. Было установлено, что Рио приводит к росту концентрации электронов на примесном уровне протекания, причем Да = <?о*- Р°о С кривые Г и 3). Эксперименты показали, что при всех вшепере- |д2 численных внешних воздействиях СН,Р°о, Р|Ч. сг'(ы) - и (кривая 5 на рис.2), согласно (1), то есть число примесных пар остается неизменным и воздействие мощности гетеродина сводится к уве- ,3 личению числа носителей в веско- Ю нечном кластере. Полученные зависимости 0"С(о) и о" С со) позволили из отношения а'(и>)/сКы) с учетом (2) определить характерную фонон-ную частоту ь ЬБ-Ю'с'1 при Т » 1.6 К, которая оказалась существенно меньше приводимого в литературе значения ирЬ= Ю1 * -

uJ, с"

Рис.2

10''с'1 [91. По полученной величине u>ph была рассчитана подвижность электронов на примесном уровне протекания р = 4 • 10*сч*/В • с и практически совпала с вычисленной из измерений всльт-ваттной чувствительности Su n-InSb в режиме видеодетектирования [61.

Эксперименты по измерению зависимости равновесной и неравновесной проводимости n-InSb образцов от магнитного поля и сопоставление полученных результатов с соответствующими теоретическими зависимостями для зонной проводимости и проводимости по уровню протекания показали, что сг ^ ~ Дсг /Да -рн/р0 - expC-fH*) при Н < 3 кЗ (у - const), причем величина у отвечает теории [8). Оказалось, что .при Н 2 3 кЭ подвижность падает в 5 - 6 раз. Действительно, из рис.2 видно что при Н= 4 кЭ и Р, =2.5-10"' Вт а = 8* 10"* Ом"'см"'. Если исходить из того,

Lo о

что подвижность электронов на примесном уровне протекания составляет * 8* Ю'см'/Вс. то концентрация фотоэлектронов n^ *> 4' 10'*см*®. Эти оценки показывают, что n^ « Nd - то есть под

воздействием гетеродина не измеряются примесные состояния и. механизм проводимости по ним.

3 главе 4 -"Расчет и характеристики п-ГпБЬ смесителя"-представлен .вывод выражения для коэффициента преобразования смесителя С. Исходя из фотоиониэациионного механизма

фотопроводимости для С было получено: = _

2СЫЛ)" + 1

где е - заряд электрона, Е0 - оптимальная напряженность электрического поля на образце, до - темновая проводимость образца, I - его длина( а

С1 - 1?)(1 - е"*1)

" = (1 - Ке-аа)

квантовая эффективность ((? и а - коэффициенты отражения и . поглощения образца, соответственно), б - его толщина в направлении падения излучения).

Соотношение (3) отличается от полученного в (12) для коэффициента преобразования фотоионизационного смесителя .ем, что темновая проводимость сравнима по величине с неравновесной Ад, вызванной воздействием Р , и поэтому до нельзя пренебречь Как следствие этого величина Р, входит в соотношение для коэффициента преобразования в явном виде.

Если рассмотреть температурную зависимость коэффициента преобразования пЧпБЬ смесителя, то из (3) видно, что С(Т) определяется зависимостью до(Т), так как при Е < Епр ^я не зависит от Т. Это видно из рис. 1 (кривая 4) для Т 5 3 К.

На рис.3 показана экспериментальная зависимость потеоь преобразования Ь = 1/С от температуры ь. диапазоне 16 - 20 К (кривая 1). Видно, что характер зависимости меняется при Т ^ 3 К, что свидетельствует о смене механизма ФП. В диапазоне 16 - 3 %К наблюдается прыжковая ФП, что. видимо, подтверждает совпадение характера экспериментальной кривой с рассчитанной по (3) кривой 2. При дальнейшем повышении Т на смену прыжковой ФП приходит у-

фотопроводимость, при которой потери преобразования n-InSb смесителя L ~ Т* (кривая 3) (7). На этом же рисунке представлена экспериментальная зависимость L(T)30 из работы С 5) для образца с Nd N 2г З'Ю1 *см~?

а

Особый интерес представляет исследование зависимости коэффициента преобразования или L = 1/G go от величины магнитного поля, так как с ростом Н наблюдается уменьшение потерь преобразования. Из (3), однако, видно, что рост Н должен приводить к уменьшению G jg (росту L), так как у и до пропорциональны ехр(-^Нг). Такое уменьшение потерь преобразования в магнитном поле (до 7 дБ при Н = 5 кЭ) может быть объяснено Рис.3

если считать, что от магнитного поля зависят не только р и до, но и другие величины, входящие в (3) Лейстьительно, при исследовании L(H) было получено, что Еогпл Н и Р°"т Н. Таким образом, наблюдаемое изменение L с Н связано в конечном итоге с изменением u, q , Е„_ и Р°"т в магнитном поле. Расчет, выполненный по (3),

* О . Uli Г Lo

дает уменьшение L с 10 до Б дБ при возрастании Н от О до 5 кЭ, а в эксперименте потери преобразования изменялись от 11 + 12 дБ до

* 7 дБ, что свидетельствует о правильности предположения о фотоионизационном характере механизма преобразования частоты СВЧ излучения.

В отдельный параграф главы вынесен подробный анализ расчета потерь преобраэовния n-InSb смесителя на основе теории р-фотопроводимости без привлечения статических ВАХ. Согласно [5] потери преобразования n-InSb смесителя определяются величиной tR„/CP 1*. где R. - сопротивление образца, Р = Р, + Р. ,а

ВО В О L»0 Q С

C=dRB/dPo - параметр, характеризующий нелинейность ВАХ. В теории

^-фотопроводимости (7) вводится иной параметр нелинейности БАХ

- /3 = -fi—¡jre, а С = - СI - длина образца). Рассчитанные значения р для рассеяния электронов на деформационно акустических и пьеэоакустических фононах позволили определить значения величины (R/CP ]*, что дало возможность для каждого значения N^

Во d

- Ne найти те температуры Т , при которых £ R&^CPo ]а = 1, что соответствует минимальным значениям L [51 При Т < Т [R/CP J <

' С(< В о

1 и значения L из (5] не имеют физического смысла. В результате

оказалось, что о раэогревном механизме работы n-InSb смесителя

при Т i ■! 2 R можно говорить только для образцов с N^ - N^ 1 3*

10''см"1 в то время как на практике наилучшие no L смесители

имеют N - N * (1 - 2)* 10" см"', d •

Особый интерес представляют исследования зависимости потерь преобразования смесителя от параметров материала, позволяющие выбрать для каждого заданного диапазона длин волн такой по компенсации предельно очищенный n-InSb, из которого можно изготовить приемник с минимальными потерями преобразования. В [51 было показано, что с ростом компенсации (до К =» 0 95) потери преобразования n-InSb смесителя уменьшаются, что наблюдалось и в наших экспериментах. Однако при дальнейшем росте компенсации К > О 95 значения L начинали возрастать. Это не может быть 1ьяснено раэогреьнэй моделью преобразования частоты СВЧ-иэлучения Такой характер зависимости LCN -N ) хорошо коррелирует с зависимостью вольт-ваттной чувствительности n-InSb видеодетекторов от компенсации и имеет естественное объяснение с точки зрения прыжковой ФП. При непрефыьном изменении компенсации n-IriSb от К s 0.85 до ^ 1 для данной длины волны СВЧ излучения при некотором значении К должно наблюдаться минимальное значение L, отвечающее переходу от спроводимости к прыжковой проводимости моттоьского типа. Зависимость L(Nd - N^) изображена на рис.4 Видно, что при N^ - N а 1.8'Ю1'см"* (К ^ 0.85) потери преобразования n-InSb смесителя имеют минимальное значение Там же представлены значения L из [4,51 (пунктирные линии) Зависимость L(Nd-Na) на рис.4 получека для X = 2.6 мм. Учитывая корреляцию L(N -Иа) и Su(Nj>/Nd) и принимая во внимание спектр ФП n-InSb ьидеодетектора [131, ясно, что для каждого диапазона длин волн при изготовлении

оптимального смесителя (с минимальной и должен быть использован п-¡пБЬ с вполне определенными параметрами. При рассмотрении данного вопроса необходимо исходить из 2-х факторов: 1)- наименьшей темновой проводимости материала до, что подробно рассмотрено выше, и 2) -существования в п-1п5Ь таких Н*-комплексов, чтобы кванта энергии СВЧ излучения хватало для перехода электрона внутри комплекса (1&го—2рпц) с последующим переходом на уровень протекания с или непосредственно из состояния на уровень протекания.

Нами проведен расчет зависимости критической длины волны с - с _ ) от

»СГд

примесей

воспользовавшись зависимостью

энергии состояний Н* комплекса от расстояния между атомами пары [6] и

20 -

кр кр р

разностной концентрации

Рис.4

что

а . не

м! =

а

более

10' *см"

полагая, Ю-'Ом" см" Графикм ХКрСКа-Н(1) изображены на рис.5. Кривая 1 отвечает переходу из состояния на примесный

уровень протекания, а 2 - переходу 1&т п . Видно, что чем меньше тем для бопее коротких длин волн следует использовать подобный материал в качестве смесителя.

Нами также выполнена оценка оптимальной рабочей температуры ТКр (1,-минимально) смесителя для различных X. При этом предполагалось,

\

\

\ 3 -

\ ч

\ . / гУ г"

\ ? \ /

\ /

^ ч н = 4кэ

• / Ч ^ ^ 1-

N

1.11 1....... н=о 1. _ 1

но'3 а/л-Мь, СМ-3

Рис.5

что все электроны находятся на примесях и равновесная проводимость по примесному уровню протекания определяет темновую проводимость. Из эксперимента следует, что вкладом ад в полную проводимость, можно пренебречь, если ао < 10",0м"'см"'. Тогда, исходя иэ того, что

СТо= ег^пр = еС^-ГПехрС- . (5)

полагая с^-с -с а и считая ^ = 4*104см,/В«с построена зависимость Т^р^-^) при Н=0 и Н=4 кЭ, приведенная на рис.5. Видно, что коротковолновые смесители могут иметь оптимальные параметры и при Т= 4.2 К в отсутствие Н, а для смесителя на X » 2 - 3 мм требуется не только понижение температуры, но и использование магнитного поля.

В последнем параграфе главы приведены характеристики созданного пЧпБЬ смесителя на Х=2.6 мм и режим его работы В результате экспериментов было установлено, что наиболее эффективное преобразование частоты СВЧ излучения (Х=2 б мм) происходит в смесителе, изготовленном иэ предельно очищенного . п-1п5Ь (N а 1.2» 10' *см°) с Я-И а 1.8 • 10' 'смЛ В таком

а а а

смесителе при Т*1.6 К и Н = 4 кЭ потери преобразования составили 7.3 - 7.7 дБ на промежуточной частоте 0.5 МГц (Р^т=2.3• 10"*Вт, 11^=7. 45-10"*В) Измерения шумовой температуры были выполнены в двухполосном режиме работы (ДГпча 1 МГц) п-1пБЬ приемника и привели к следующим результатам: флуктуационная чувствительность ДТ * 0.2 К, а шумовая температура системы (смеситель-усилитель ПЧ с 50 - 70 К) составила не более 140 К.

В заключении сформулированы основные результаты настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Создан измерительный стенд на основе двух ламп обратной волны (Х=2.2-3 мм), позволивший изучить зависимость коэффициент* преобразования п-1пБЬ смесителя от внешних условий (Е,Н,Т), уровня мощности гетеродина и параметров материала. Э. Изготовлен лабораторный вариант спектрорадиометра на Х=2 6-3

мм,.на котором измерена шумовая температура смесителя. 3., Создана криогенная система с макетом для пЧпБЬ смесителя для работы на радиотелескопе при 7*1.6 К и Н £ 5 кЭ

4. Проведено исследование проводимости пЧггёЬ на постоянном токе и высокой частоте С в диапазоне промежуточных частот) и влияние на нее температуры, электрического и магнитного полей и мощности гетеродина.

5. По измерению комплексной проводимости п-1п£Ь на переменном токе определена характерная фононная частота ^ 1,5'10'с"1 существенно отличающаяся от значений у , приводимых в литературе. Подвижность по примесному уровню прЬтекания, вычисленная с использованием ^ = 1,5 ' Ю'о'1 , совпала с

рЬ

найденной экспериментально из вольт-ваттной чувствительности п-1г,5Ь видеодетектора.

6. По измерению высокочастотной проводимости выяснена физическая природа воздействия магнитного поля и мощности гетеродина на проводимость п-1пЯэ. Первое проявляется в уменьшении. ' подвижности, а второе - в возрастании концентрации электронов • на примесном уровне протекания

7. Исходя из механизма прыжковой фотопроводимости, получено выражение для коэффициента преобразования смесителя в условиях, когда нельзя пренебречь темновой проводимостью образца. Рассчитанные значения коэффициента преобразования смесителя хорошо совпадают с экспериментальными.

8. Последовательное рассмотрение коэффициента преобразования смесителя на основе разогревной модели (без привлечения статических вольт-амперных характеристик образца) пок??ало, что при Т 5 4.2 К в материале с N - 3-10''см"' этот механизм фотопроводимости не может быть реализован.

9. Для каждого диапазона длин волн найден оптимальный по параметрам материал и рабочий диапазон температур.

10. Для длины волны Х=2.6 мм создан на основе п-1п$>Ь смеситель, потери преобразования в котором ^ 7 дБ, а шумовая температура (вместе с УПЧ) не превышает 140 К при флуктуационной чувствительности не более 0.2 К.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Гершенэон Е М. , Грачев С. А , Литвак-Горская Л. Б. , Филонович С. Р. Природа субмиллиметроьой фотопроводимости в п-1п5Ь при температуре 4.2 - 77 К // Тезисы докладов республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках",

Ужгород. 1979, с. 89-90.

2. Гершензон ЕМ. , Грачев С. А. , Яитвак-Горская Я Б., Филонович С. Р. Влияние фоновой подсветки на субмиллиметровую фотопроводимость в n-InSb. // ФТП, 1982, т. 16, в 2, с. 376-378.

3. Гершензон Е. М. , Грачев С. А. , Литвак-Горская Л Б Механизм преобразования частоты СВЧ излучения в компенсированном n-InSb.// Тезисы докладов VII Всес.симпозиума "Плазма и неустойчивости в полупроводниках", Паланга, 1989, ч I. с. 50"~52.

4. Гершензон Е. М. , Грачев С. А. , Литвак-Горская Л. Б. Высокочастотная проводимость n-InSb при низких температурах// Тезисы докладов XII Всес. конференции по физике полупроводников, Киев, 1990, ч. I, с 51-52

' 5. Гершензон Е. М. , Грачев С. А. , Литвак-Горская Л. Б Механизм преобразования частоты ь n-InSb смесителе.// ФТП, 1991, т.25, в. 11, с. 1986-1998.

ЛИТЕРАТУРА

1. Арчер Дж.У. // ТИЮР, 1S85, т. 73. N 1. с.119-142.

2. Выставкин А. Н. , Кошелец В. П., Овсянников Г. А. Сверхпроводящие приемные устройства миллиметровых волн.// М.препринт ИРЭ АН СССР, 1989 52 с

3. Arams F., Allen С., Peyton В., Sard Е. // Proc. IEEE, 1966, vol.54, pp.612-622.

4. Whalen J. J., Westgate C.R.// IEEE Trans. Electron Dev., 1970, ED-17, pp. 310-319.

5. Whalen J. J. , Westgate C.R. // Simposium on submillimeter waves, 1970, New York, pp. 305-320.

6. Гальперин Ю M. , Гершензон E M , Дричко И Л. , Литвак-Горская Л. Б. //ФТП, 1990, т. 24, в.1, с. 3-24

7. Коган Ш.М. // ФТТ, 1062, т. 4. в. 7, с. 1891-1896; ФТТ, 1962, т. 4. В.9, с.2474-2484.

8. Шкловский Б.И., Эфрос АЛ. Электронные свойства легированных полупроводников.// М., Наука, 1979, 416 с.

9. Мотт Н. , ДэвиС' Э. Электронные процессы в кристаллических веществах.// М. , Мир, 1974, 472 с

10. Бирюков C.B., Гершензон Е М. , Гольцман Г. H , Дэарданов А Л , Елантьев А. И,, Карпов А. В , Леьитес A.A., Окунеь О В , Плохоьа Л А. , Потоскуев С.Э. //Тез.докл 17 Всес. конференции "Радиоастрономическая аппаратура"; Ереван. 1985, с 118-119

И. Гальперин D. М. , Гурвич В. Л. , Паршин Д А. // ЖЭТФ, 1983, т. 85, в. 5(11), с 1757-17ÍU

12. Протопопов В.В., Устинов H Д Лазерное гетеродинирование // М. , Наука, 1985, 286 с. .

13 Гершензон Е. М. , Ильин В А , Литьак-Горская Л Б , Филонович С. Р. //ЮТФ, 1979, т. 76, в.1, с. 238-250.

i£^