Параметрические и нелинейные колебательные и волновые процессы в полупроводниковых структурах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РГБ ОД

2 5 оддй 2Ж2

МИХАЙЛОВ Александр Иванович

Параметрические и нелинейные колебательные и волновые процессы в полупроводниковых структурах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах ^

01.04.03 - Радиофизика 01.04.10 - Физика полупроводников и шектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Саратов - 2000

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

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор Байбурин В.Б.

доктор физико-математических наук, профессор Санин А.Л.

доктор физико-математических наук, профессор Ильин Е.М.

Ведущая организация:

Саратовское отделение Института радиотехники и электроники РАН

Защита состоится 2000 г. в/2 час.^Ячин

на заседании диссертационного совета Д 063.74.01 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410026, Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ

Автореферат разослан апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из современных научных направлений, развивающихся на стыке радиофизики и физики полупроводников и диэлектриков, является исследование колебательных и волновых процессов в полупроводниках, диэлектриках, структурах, приборах и устройствах на 1гх основе, включая, в первую очередь, взаимодействие колебаний и волн различной физической природы. Исследования подобного рода в части используемых методов и подходов к анализу относятся к радиофизике, а в части изучения влияния особенностей конкретной среды или системы на исследуемые процессы и явления - к физике полупроводников и диэлектриков. Актуальность таких исследований непосредственно связана с их очевидной прикладной направленностью и в значительной степени обусловлена потребностями развития СВЧ систем связи, создания и совершенствования приборов и устройств для генерирования, усиления и обработки радиосигналов, необходимостью продвижения их рабочих частот в диапазоны крайне высоких (КВЧ) и гипервысоких (ГВЧ) частот, которые соответствуют миллиметровому (мм) и субмиляиметровому (субмм) диапазонам длин электромагнитных волн.

В последние десятилетия нелинейные явления, процессы, эффекты, системы, режимы и т.п. стали основными объектами большинства исследований в физике в целом, а также в связанных с ней прикладных научных и технических областях. Многолетний и неослабевающий интерес ученых и специалистов к нелинейным системам, средам и эффектам, взаимодействию колебаний и волн обусловлен рядом причин, среди которых наиболее важными являются две: 1) нелинейные объекты исследования, колебательные и волновые процессы присутствуют во всех научных и технических областях, и, гаким образом, их изучение представляет интерес не только для конкретной предметной области, но имеет и фундаментальное, междисциплинарное, эбщенаучное значение; 2) обширные технические и другие практические триложения результатов исследований конкретных нелинейных явлений и ;вязанных с этим взаимодействий колебаний и волн.

Перспективными с практической точки зрения нелинейными физическими средами являются полупроводники, а также полупроводниковые струк-гуры, широко используемые в электронных приборах. В настоящее время особенно актуальными являются исследования динамических проявлений телинейных свойств полупроводников, полупроводниковых структур и при-зоров именно в мм и субмм диапазонах, где начинают существенно сказы-иться инерционные свойства носителей заряда и связанные с этим эффекты, соторые в конечном итоге являются физической причиной ограничений ¡верху диапазона рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств. ■Сак известно, верхние граничные частоты работы большинства полупроводниковых радиоэлектронных приборов лежат именно в КВЧ и ГВЧ диапазо-

нах. Проблема расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов и устройств и, в частности, одна из главных - увеличение их рабочих частот - может решаться различными путями: совершенствованием технологии и конструкций; оптимизацией режимов работы; поиском новых перспективных полупроводниковых материалов и новых эффектов и т.п. К числу таких путей можно отнести использование механизма параметрической связи колебаний и волн в полупроводниках, структурах и приборах на их основе, который оказывается возможным благодаря их нелинейным свойствам. Принципиальная возможность, характер и степень проявления этих нелинейных свойств в динамическом режиме (при одновременном воздействии слабого сигнала и интенсивной накачки) являются ключевыми вопросами при оценке перспектив использования параметрического механизма связи колебаний и волн для решения упомянутых выше задач в каждом конкретном случае.

Интерес к изучению волновых процессов в полупроводниках и диэлектриках обусловлен еще и тем, что в них могут возбуждаться и распространяться такие виды волн (акустические, квазиэлектростатические, квазимаг-нитостатические), фазовые скорости у которых на несколько порядков меньше, чем у электромагнитных волн тех же частот. Последнее обстоятельство открывает дополнительные возможности для решения проблем, связанных с микроминиатюризацией радиоэлектронных устройств и систем СВЧ и КВЧ диапазонов.

Большой научный и практический интерес представляют исследования параметрического взаимодействия волн в активных средах, которые способны усиливать монохроматические волны из определенного ограниченного частотного диапазона за счет собственных непараметрических механизмов неустойчивости. Причиной этого является возможный одновременный рост амплитуд всех связанных волн и, следовательно, возможность получения параметрического усиления высокочастотных волн с использованием низкочастотной накачки.

Примером такой нелинейной активной среды является полупроводник, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) в некотором диапазоне частот (например, у п-СаА$ ОДП существует, по крайней мере, до 80 ГГц, а у п-1пР - даже до 370 ГГц) вследствие междолинных электронных переходов в сильных электрических полях. Электромагнитные волны и квазистатические волны пространственного заряда (ВПЗ) с частотами, на которых полупроводник обладает ОДП, могут усиливаться при распространении в нем. Волны с частотами, на которых ОДП пет, затухают. Однако в условиях взаимодействия затухающих и усиливающихся волн, обусловленного нелинейностью полупроводника, затухающие в обычных условиях волны при определенных условиях могут стать нарастающими. В связи с этим представляет интерес исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках с ОДП при низкочастотной накачке, а 4

также определение условий, при которых на его основе могут быть реализованы параметрическое усиление, эффективное преобразование частоты и другие радиотехнические функции в коротковолновой части сантиметрового (см) и мм диапазоне шкалы длин электромагнитных волн. Значение исследований параметрического взаимодействия ВПЗ в таких полупроводниках с ОДП, как п-С!аЛ.ч и п-1п!' и тоикопленочных структурах на их основе велико еще и потому, что они позволяют решать вопросы, связанные с проблемой создания функциональных устройств коротковолновой части см и мм диапазона в интегральном исполнении, поскольку длины ВПЗ на три порядка меньше длин электромагнитных волн на тех же частотах.

На момент начала данного диссертационного исследования теоретических работ по взаимодействию ВПЗ в полупроводниках с ОДП не было. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия волн в полупроводниках с ОДП, а также данные о создании параметрических устройств на этой основе до сих пор отсутствуют. Теории эффекта, известные на сегодняшний день, имеют частный характер и связанные с этим недостатки, что ограничивает возможности их применения. Здесь уместно добавить, что все известные теоретические работы по ВПЗ в полупроводниках с ОДП и экспериментальные работы по устройствам на них выполнены только для одного полупроводника - п-ОаА.ч. Конкретные данные по оценке перспектив использования другого из упомянутых выше полупроводников - п-1пР - для создания устройств на ВПЗ в литературе практически отсутствуют. В связи со сказанным проведение широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении представляется актуальным и имеет большое научное и практическое значение.

Междолинные электронные переходы, происходящие в сильных электрических полях в таких полупроводниках, как п-СаЛя и п-1пР, являющиеся причиной возникновения ОДП, лежат также в основе работы диодов и генераторов Ганна. В настоящее время генераторы Ганна по большинству параметров являются наилучшими из всех существующих твердотельных источников когерентных колебаний мм диапазона, включая его коротковолновую часть. Однако, несмотря на многолетние исследования многие вопросы, связанные как с самим эффектом Ганна и моделями, используемыми для его описания, так и с различными аспектами работы, конструирования и создания устройств на его основе в особенности на частотах, близких к предельным, исследованы недостаточно. В частности, малоизученным остается вопрос о влиянии особенностей профиля легирования полупроводниковых структур диодов Ганна на спектральный состав тока и амплитуды его гармонических составляющих. В связи с постоянным появлением новых данных, уточняющих представления о физике междолинных электронных переходов в п-СаЛз и п-1пР, продолжает оставаться актуальной задача разработки и совершенствования феноменологических моделей эффекта Ганна, которые позволяют получать адекватное описание работы приборов и устройств на

его основе и проводить оптимизацию режимов генерации и технологии. Нельзя считать окончательно решенным вопрос о механизмах генерации диодами Ганна на частотах выше пролетной и, в частности, о степени влияния на это параметрических эффектов. До последнего времени продолжаются интенсивные исследования особенностей поведения диодов Ганна и их реакции на воздействия внешних как интенсивных, так и слабых СВЧ сигналов. Представляет интерес исследование параметрического взаимодействия СВЧ колебаний в диодах Ганна в одном из наиболее перспективных для мм диапазона случаев - при низкочастотной накачке. Остаются актуальными поиски подходов к конструированию резонансных систем генераторов, работающих в многочастотных режимах.

Помимо эффекта ОДП сильные электрические поля вызывают в полупроводниках и другие нелинейные явления, обусловленные разогревом носителей заряда. Все они зависят не только от амплитуд, но и от частот воздействующих на полупроводник электрических полей и от соотношения периодов этих полей и времен релаксации энергии и импульса носителей и их междолинных переходов. К таким эффектам относится появление на частотах порядка 100 ГГц и выше заметного фазового сдвига между током в полупроводнике и электрическим полем, который эквивалентен появлению реактивной компоненты проводимости полупроводника и обусловлен инерционностью свободных носителей заряда. Величина реактивной компоненты зависит от частоты сигнала и определяется временами релаксации энергии и импульса носителей заряда, которые, в свою очередь, зависят от величины греющего электрического поля. Если греющее поле менять во времени, то появляется принципиальная возможность модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника. Сама возможность, характер и степень этой модуляции во многом будут определяться конкретным выбором частот и амплитуд сигнала и накачки. Поскольку характерные частоты рассеяния энергии и импульса носителей заряда в полупроводниках лежат в коротковолновой части мм и субмм диапазонах, представляет интерес провести исследование указанного эффекта модуляции именно в этих диапазонах.

Одними из самых известных параметрических устройств СВЧ, широко используемых на практике вплоть до мм диапазона, являются параметрические усилители (ПУ) на полупроводниковых параметрических диодах (ва-ракторах), важнейшей отличительной особенностью которых является низкий уровень собственных шумов. В настоящее время созданы ПУ на варак-торах с барьером Шоттки на частоты до 94 ГГц, которые по совокупности параметров превосходят все известные типы твердотельных малошумящих усилителей. Естественным, а поэтому традиционным и наиболее распространенным путем увеличения рабочих частот ПУ является снижение емкости и последовательного сопротивления потерь варактора. Существуют и другие пути, однако на сегодняшний день многие вопросы, связанные с проблемой создания ПУ в коротковолновой части ми диапазона, исследованы 6

еще недостаточно. Так, в частности, практически неизученным остается вопрос о влиянии величины контактной разности потенциалов варакторных диодов Шотгки на их динамические параметры и характеристики ПУ мм диапазона.

Резюмируя все сказанное, можно заключить, что исследование параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и в полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах представляет собой актуальную и важную проблему на стыке радиофизики и физики полупроводников. В исследованиях по этой проблематике, а также в разработке полупроводниковых параметрических приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов достигнуты определенные успехи. Тем не менее, целый ряд вопросов, относящихся к особенностям проявлен™ параметрических и нелинейных эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах, а также вопросов, связанных с проблемой повышения предельных рабочих частот соответствующих приборов и устройств, расширения их функциональных возможностей, остается либо вовсе неизученным, либо изучен недостаточно подробно. Поэтому исследования по теме диссертации являются актуальными и имеют большое прикладное значение.

Цель и основные задачи диссертационного исследования

Целыо данной диссертационной работы является разработка и развитие физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определение путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей, а также разработка физических основ создания новых приборов и устройств.

Для достижения сформулированной цели решались следующие основные задачи:

1). Установление характера и степени влияния частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов в п-СаАя и п-1пР, уровня легирования и толщины полупроводниковой гшенки тонкопленочных полупроводниковых структур (ТПС) на граничную частоту усиления и фазовую скорость ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке электронов.

2). Теоретическое и экспериментальное исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и ТПС с ОДП в коротковолновой части см и мм диапазоне при низкочастотной накачке и возможностей создания на этой основе функциональных устройств миллиметрового диапазона.

3). Разработка общей теории, позволяющей проводить последовательный и детальный анализ параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС и, в том числе, в структурах с ОДП с учетом диффузии, дисперсии и анизотропии дифференциальной подвижности носителей заряда, а также многочастотного и многомодового характера волновых процессов и реальных условий на границах полупроводниковой пленки.

4). Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных и параметрических явлений, возникающих в полупроводниковых структурах диодов Ганна и колебательных системах с диодами Ганна в миллиметровом диапазоне.

5). Теоретическое исследование инерционных свойств горячих носителей заряда в полупроводниках при одновременном воздействии сильного статического и сильного переменного электрического СВЧ поля накачки. Анализ возможности использования инерционных свойств носителей заряда в полупроводниках для создания параметрических приборов и устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

6). Теоретическое и экспериментальное исследование влияния величины контактной разности потенциалов бескорпусных варакторных диодов Шотт-ки на их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона.

7). Использование результатов проведенных исследований для разработки и создания полупроводниковых приборов и устройств обработки радиосигналов в мм диапазоне (параметрических усилителей, генераторов, преобразователей частоты, смесителей сдвига, управляемых фильтров), улучшения их параметров и характеристик, расширения функциональных возможностей.

Научная новизна работы

1. Проведен детальный сравнительный анализ факторов, определяющих особенности возбуждения и распространения ВПЗ в дрейфовом потоке носителей заряда в полупроводниках и ТПС с ОДП. Показано, что наиболее существенное влияние на характер распространения ВПЗ в коротковолновой части см и мм диапазоне наряду с диффузией оказывает дисперсия дифференциальной подвижности носителей. Впервые установлено, что для однородно легированной пленки п-СаА$ с толщиной с1 и равновесной концентрацией электронов п0 при условии п0-с1=2-10м м'2, обеспечивающем предотвращение формирования доменов сильного поля, на зависимости верхней граничной частотыусиливаемых ВПЗ от п0 имеется максимум. Значения/с для п-ЫР в2-3 раза выше, чем для п-СаА.ч, чго связано в основном с более низким значением коэффициента диффузии и более высоким значением дрейфовой скорости электронов у п-1пР в полях, соответствующих режиму ОДП.

2. Впервые теоретически и экспериментально исследовано параметрическое взаимодействие ВПЗ в дрейфовом потоке электронов в полупроводниках и ТПС с ОДГ1 при низкочастотной накачке. Установлено, что наличие низкочастотной ВПЗ накачки в полупроводнике или в ТПС с ОДП приводит к тому, что затухающие в обычных условиях (без накачки) волны пространственного заряда коротковолновой части см и мм диапазона могут стать нарастающими, либо их затухание может быть существенно уменьшено. Теоретически показано, что для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой /¡. в полупроводнике с ОДП существенным является условие близости частот накачки/р и холостой/^ -/р, а расстройка от синхронизма по волновому вектору (М) взаимодействующих сигнальной и холостой волн имеет меньшее значение.

3. Впервые разработана общая теория параметрического взаимодействия ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке носителей заряда в ТПС, и в том числе в условиях ОДП с учетом диффузии, дисперсии дифференциальной подвижности носителей заряда, реальных условий на границах полупроводниковой пленки, многочастотного и многомодового характера волнового процесса.

4. Впервые теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при подаче на стабилизированный сверхкритический диод Ганна кроме слабого сигнала еще и мощной низкочастотной накачки отрицательное сопротивление, вносимое диодом Ганна во внешнюю колебательную систему на частотах, превышающих пролетную, возрастает. Этот эффект позволяет увеличивать верхний частотный предел усилителей на диодах Гаити.

5. Впервые проведено целенаправленное теоретическое исследование влияния особенностей профиля легирования активной области полупроводниковых структур диодов Ганна на спектр тока и амплитуды его гармонических составляющих. Численное моделирование с использованием локально-полевой и температурной моделей показало, что для создания оптимальных уело в генерации на основной пролетной частоте и на частотах ее гармоник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. В частности, максимальный уровень основной спектральной составляющей тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси ЫА в активной области в направлении от катода к аноду. Ширина "зарубки" УУ^ и уровень легирования в пей Л'д/ ("глубина") для диодов Ганна, используемых в генераторах с выходом на второй гармонике, должны выбираться из следующих интервалов: 0,45<Л'Л//Л^<0,6 и 0,15<1Уц /ЬА<0,6 (где Ьл - длина активной области). Выполнение приведенных условий, с одной стороны, предотвращает переход к режиму со статическим доменом у катода или анода, а, с другой стороны, обеспечивает максимально возможный перепад электрического поля при переходе из "зарубки"

в активную область и разнесение по времени процессов выхода обогащенной части домена в активную область и ухода его обедненной части в анод.

6. Впервые экспериментально обнаружена и проанализирована генерация КВЧ колебаний диодом Ганна в 3-й зоне неустойчивости параметрической системы. Анализ показал, что механизм генерации на частоте /з/2=(3/2)/с (где /о - основная пролетная частота) комбинированный. Первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления ДГ на этой частоте. Вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего и возникают незатухающие колебания. Тог факт, что частота /3/2 наблюдавшихся в эксперименте колебаний равна (3/2)/г;, говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации.

7. Впервые исследована стимулированная генерация диодом Ганна собственной частоты колебаний /о при воздействии на него СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого /, никак не связана с частотой /а , а мощность Р; значительно меньше мощности Рс сигнала, генерируемого диодом Ганна.

8. Впервые теоретически исследован эффект модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала /; с частотой накачки^, в условиях, когда к полупроводнику приложено сильное постоянное электрическое поле, сильное СВЧ поле накачки с частотой /р , а также слабое СВЧ поле сигнала с частотой/г</р. Установлено, что при изменении концентрации электронов п и частот /у и /р может происходить смена характера реактивности полупроводника, обусловливающая большие коэффициенты модуляции его диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты его проводимости. В коротковолновой части мм диапазона, когда модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости становятся величинами одного порядка, реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная. Параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда, может использоваться для создания параметрических устройств мм и субмм диапазонов.

9. Впервые проведено целенаправленное теоретическое и экспериментальное исследование влияния контактной разности потенциалов на динамические параметры варакторных диодов Шотгки и характеристики параметрических усилителей мм диапазона. Показано, что снижение контактной разности потенциалов варакторных диодов Шоттки при прочих равных условиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей мм диапазона.

Научная и практическая значимость работы

Научная ценность работы состоит в разработке и развитии физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и структурах полупроводниковых приборов и устройств мм диапазона, а также в разработке физических основ создания новых полупроводниковых приборов и функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.

Научные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией, использованы в научно-исследовательских работах Института космических исследований АН СССР, Саратовского филиала Института радиотехники и электроники АН СССР, предприятия п/я В-8828 (г. Москва), НИИ механики и физики при Саратовском государственном университете, что подтверждено соответствующими справками, приведенными в приложении к диссертации.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Установленные особенности распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и полупроводниковых структурах с ОДП позволяют определить наиболее оптимальные подходы к разработке и конструированию функциональных микроэлектронных устройств обработки радиосигналов в коротковолновой части см и мм диапазонах, основанных на этих принципах (усилителей, смесителей сдвига, управляемых фильтров, ;шггезаторов частот).

2. Результаты исследования параметрических и нелинейных эффектов в диодах Ганна и генераторах на их основе позволяют сформулировать новые тодходы к решению проблемы увеличения их рабочих частот, наиболее эбщие требования к особенностям структуры диодов Ганна, предназначенных для работы с выделением мощности на гармониках основной частоты, тредложить новый способ усиления мощности СВЧ колебаний, демонстрируют возможность получения генерации, стимулированной слабым внешним ;игналом мм диапазона. Все это является особенно важным при разработке тиболее коротковолновых вариантов диодов, усилителей, генераторов, треобразователей частоты и других устройств на диодах Ганна.

3. Результаты исследования инерционшлх свойств горячих носителей за-)яда в полупроводниках, а также базирующегося на этом эффекта модуля-щи проводимости полупроводника демонстрируют один из возможных 1утей создания параметрических приборов и устройств в мм и субмм диапа-онах.

4. Установленная закономерность, определяющая связь контактной раз-юсти потенциалов варакторных диодов Шоттки с их динамическими пара-гетрами и характеристиками параметрических усилителей, может использо-1аться при разработке и проектировании варакторов и ПУ для коротковол-ювой части мм диапазона.

В ходе проведения данного диссертационного исследования, а также в рамках ряда важнейших НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России, координационным планам АН СССР и РАН, был разработан ряд полупроводниковых устройств миллиметрового диапазона.

Достоверность результатов диссертации

Достоверность теоретических результатов и выводов обеспечивается адекватностью используемых математических моделей, корректностью используемых упрощений, тестированием моделей, алгоритмов и программ на известных упрощенных вариантах, качественным соответствием теоретических и экспериментальных результатов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современной стандартной измерительной аппаратуры, апробированных экспериментальных методик и воспроизводимостью экспериментов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. В условиях сохранения электрической устойчивости тонкой однородно легированной пленки п-СаАз с равновесной концентрацией дрейфующих электронов «о на зависимости верхней граничной частоты усиливаемых волн пространственного заряда от п0 при и0=(1-^2) Ю15 см"' наблюдается максимум.

2. Параметрическое взаимодействие воли пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью в условиях низкочастотной накачки приводит к увеличению верхней граничной частоты усиливаемых волн, продвигая ее в миллиметровый диапазон, обеспечивает эффективное преобразование частоты в миллиметровом диапазоне, а также эффективную фильтрацию сигналов, которая может управляться путем изменения амплитуды и частоты накачки.

3. Разработана общая теория параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в тонкопленочных полупроводниковых структурах, включая структуры с отрицательной дифференциальной проводимостью, позволяющая учитывать диффузию, анизотропию и частотную дисперсию дифференциальной подвижности носителей заряда, реальные условия на границах пленки, а также многочастотный и многомодовый характер волнового процесса.

4. Низкочастотная накачка стабилизированного сверхкритического диода Ганна приводит к параметрическому усилению электромагнитных колебаний в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

5. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока диода Ганна и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси в направлении от катода к аноду в ак-12

тинной области полупроводниковой структуры диода. Форма прикатодной "зарубки" полупроводниковой структуры диодов Ганна, используемых в генераторах с выходом на гармониках основной частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона, должна оптимизироваться таким образом, чтобы, с одной стороны, избежать перехода к режиму со статическим доменом у анода или катода, а, с другой стороны, чтобы обеспечить оптимальную для выбранной гармоники динамику зарядов в активной области диода.

6. Механизм генерации диодом Ганна в СВЧ и КВЧ диапазонах на частотах, соответствующих нечетным зонам неустойчивости параметрической системы, комбинированный: первоначальное уменьшение потерь в котуре генератора происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления диода Ганна, а вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возникают незатухающие колебания.

7. Приложение к полупроводнику сильного постоянного электрического поля, сильного СВЧ поля накачки с частотой/р , а также слабого СВЧ поля сигнала с частотой /,</р , приводит к существенной модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала с частотой накачки. В коротковолновой части миллиметрового диапазона модули постоянных составляющих активной и реакттзной компонент проводимости полупроводника становятся величинами одного порядка и при этом реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная. Параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда, может использоваться для создания параметрических устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

8. Снижение контактной разности потенциалов фк варакторных диодов Шоттки при прочих равных условиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона. Применение варакторов с пониженным значением ср* можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения параметрических усилителей в коротковолновую часть миллиметрового диапазона.

Диссертация является обобщением научных работ автора, выполненных на кафедре физики полупроводников и кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, а также в НИИ механики и физики при СГУ в период с 1974 по 1999 г.

Совокупность основных научных результатов и положений, выносимых ¡га защиту, позволяет квалифицировать работу как решение крупной научной проблемы на стыке радиофизики и физики полупроводников, состоящей в разработке и развитии физических представлений и математических моде-

лей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определении на эгой основе путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей.

Большая часть основных результатов, полученных автором в ходе работы над диссертацией, использована при выполнении ряда важнейших НИР, проводившихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России и в соответствии с координационными планами АН СССР и РАН в период с 1975 по 1996 г.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на: II Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Харьков, 1978 г.); Объединенном научном семинаре кафедры физики твердого тела и кафедры радиофизики Саратовского государственного университета (1981 г.); Научном семинаре в Институте прикладной физики АН СССР (Горький, 1981 г.); 12-и научной конференции преподавателей и сотрудников Куйбышевского государственного университета (1981 г.); Научном семинаре в Саратовском политехническом институте (1982 г.); Десятой Всесоюзной научной конференции "Электроника сверхвысоких частот" (Минск, 1983 г.); Заключительном туре конкурса научных работ молодых ученых Саратовского госуниверситета 1983 года (Рамзаев-ские чтения) (1983 г.); Научно-технической школе "Элементы и узлы радиоаппаратуры" на научно-техническом заседании-семинаре "Приборы с отрицательным сопротивлением в радиоэлектронных устройствах" (Москва, 1984 г.); Всесоюзном совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" (Саратов, 1985 г.); Научно-технической школе специалистов "Приборы с отрицательным сопротивлением и их применение в радиоэлектронике" (Москва, 1986 г.); Шестом Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия (Томск, 1987 г.); II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988 г.); III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991 г.); Всесоюзном совещании "Электроника: преобразователи информации" (Москва - Нижний Новгород, 1991 г.); Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои, 1991 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 14

г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения ЛПЭП-96" (Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997 г.); III Международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи" (Воронеж, 1997 г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98" (Саратов, 1998 г.); Научной конференции Ульяновского государственного университета "Математическое моделирование физических, экономических социальных систем и процессов" (Ульяновск, 1998 г.); VI Международной научно-технической конференции "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1999 г.); Научных семинарах кафедры физики полупроводников Саратовского государственного университета.

Публикации

По материалам исследований, обобщенных автором в диссертации, опубликовано около 70 научных работ, в числе которых 23 статьи, 4 доклада, 9 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств на полезную модель РФ, одно учебное пособие, содержащее оригинальные результаты, полученные автором. Список основных опубликованных работ приведен в конце автореферата.

Результаты диссертации используются в разработанных и читаемых автором курсах лекций "Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов", "Физика твердотельных параметрических приборов СВЧ", "Математическое моделирование физических и технологических процессов твердотельной электроники", "Полупроводниковая волновая электроника".

Личный вклад соискателя

Постановка всех основных задач, являющихся предметом исследований диссертации, принадлежит автору. Кроме того, автором диссертации проводился выбор методов решения всех задач, разработка алгоритмов и программ, обоснование методик экспериментов, получение всех теоретических и экспериментальных результатов и их анализ, разработка и конструирование приборов и устройств.

Общее направление и тематика диссертационного исследования выбрана автором во многом благодаря поддержке и под влиянием научных идей Заслуженного деятеля науки Российской федерации, чл.-корр. РАЕН, доктора технических наук, профессора Климова Бориса Николаевича и доктора физико-математических наук Иванченко Владимира Афанасьевича.

Автор особо признателен профессору Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета доктору физико-математических наук Барыбину Анатолию Андреевичу за содержательные и плодотворные научные стажировки (1989 г., 1993 г., 1994 г., 1997 г.). Полезные научные

15

консультации, дискуссии и творческое сотрудничество с профессором Ба-рыбиным A.A. имели большое значение для успеха исследований, проведенных в период с 1985 г. по 1999 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и 5 приложений, изложена на 364 страницах, включая 67 рисунков, 8 таблиц, список литературы, содержащий 279 наименований и включающий 62 ссылки на основные публикации автора по теме диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дается общая характеристика и краткий обзор современного состояния проблемы, обосновывается актуальность темы, формулируется цель и основные задачи диссертационного исследования, излагается научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается апробация, публикации и личный вклад автора, описывается структура и объем диссертации.

Глава 1 посвящена исследованию особенностей возбуждения и распространения ВПЗ в полупроводниках с ОДП и ТПС на их основе. Для этого используется система уравнений непрерывности и Пуассона и выражение для плотности полного тока, учитывающее диффузионную составляющую. Поскольку основное внимание в исследованиях уделено миллиметровому диапазону, учет диффузионной составляющей тока, а также частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов ц^ является принципиальным требованием. В результате решения дисперсионного уравнения рассчитывались постоянные распространения ВПЗ в n-GaAs и п-1пР. Численные расчеты позволили установить характер и степень влияния различных факторов на величину верхней граничной частоты (/;.) усиливаемых ВПЗ. Также установлено, что в результате действия диффузии фазовые скорости vph нарастающих ВПЗ оказываются ниже дрейфовой скорости электронов v0, а для затухающих ВПЗ имеет место противоположное соотношение Раз-

личие между vph и v0 усиливается при увеличении коэффициента диффузии электронов и при учете частотной дисперсии .

Анализировался наиболее типичный вид ТПС с сильной асимметрией, в которой полупроводниковая пленка с ОДП, эпитаксиально выращенная на полуизолирующей подложке из того же полупроводника, сверху граничит с воздухом. Использовалась модель жесткой границы потока электронов. Впервые установлено, что в однородно легированной пленке n-GaAs с толщиной d и равновесной концентрацией электронов п0 при выполнении условия ng-d-2-lQw м'2, обеспечивающего работу ТПС с ОДП в режиме конвективной неустойчивости, на зависимости верхней граничной частоты усили-

ваемых ВПЗ /с от л0 при ло«(1 +2)-1015 см"3 появляется максимум.

Проведенный сравнительный анализ потенциатьных возможностей /;-и п-1пР показывает, что при создании на основе этих материалов устройств на ВПЗ последний обеспечивает втрое большие значения верхней граничной частоты, чем первый, что обусловлено в первую очередь значительно меньшим значением коэффициента диффузии и большим значением дрейфовой скорости электронов у п-1пР.

Теоретически проанализировано влияние электрофизических и конструктивно-топологических параметров и характеристик ТПС и их элементов связи с электродинамическими системами, представляющими собой одиночные полосковые барьеры Шоттки (БШ), на эффективность возбуждения ВПЗ в ТПС с ОДП и частотную избирательность функциональных устройств на ВПЗ в полупроводниках с ОДП. Показано, что для повышения эффективности преобразования электромагнитного СВЧ сигнала в ВПЗ целесообразно использовать полосковые БШ с малым значением контактной разности потенциалов (срк=0,2+0,3 В), а ширина полоскового БШ и концентрация электронов в пленке должны быть оптимизируемыми параметрами.

С использованием представления тонкопленочного усилителя бегущей волны (ТУБВ) на основе п-СаАз в виде четырехполюсника проведен теоретический анализ влияния параметров Я-Ь-С-контура обратной связи выхода и входа ТУБВ на формирование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Установлено, что при гаком самом общем представлении цепи обратной связи изменения ее параметров сказываются, главным образом, на величинах пиков и впадин АЧХ, но практически не влияют на их частоты.

В главе 2 приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и ТПС с ОДП на основе п-СаАз. Анализ полученных уравнений, описывающих параметрическое взаимодействие ВПЗ в полупроводниках с ОДП, показывает, что наличие в дрейфовом потоке носителей заряда в полупроводнике с ОДП ВПЗ с частотой накачки /р приводит к тому, что затухающие в обычных условиях (без накачки) ВПЗ с частотой сигнала /, > /р и с образовавшимися в результате параметрического взаимодействия комбинационными частотами /,±/р, могут при определенных условиях стать нарастающими либо их затухание может быть значительно уменьшено. Исследование влияния расстройки от синхронизма по волновому вектору (Ак) взаимодействующих посредством накачки ВПЗ позволило установить, что для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой^, в полупроводнике с ОДП существенным является условие близости частот накачки/р и холостой а расстройка А/с взаимодействующих волн имеет меньшее значение. Как показало численное моделирование, в зависимости от конкретно выбранных значений параметров полупроводника с ОДП и электрофизически параметров ТПС могут быть получены амплитудно-частотные характери-

стики различного вида, особенности которых позволяют на основе рассматриваемого параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС с ОДП на n-GaAs реализовывать устройства обработки радиосигналов с широкими функциональными возможностями (усилители, генераторы, автодинные преобразователи частоты, перестраиваемые фильтры, управляемые путем изменения амплитуды и частоты накачки и пр.), сохраняющие работоспособность вплоть до 8-мм диапазона. Еще более высоких рабочих частот (до 50 - 60 ГГц) у перечисленных выше устройств можно ожидать при замене традиционного в данном применении полупроводника - арсенида галлия на перспективный в этом отношении фосфид индия.

Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС на n-GaAs в условиях низкочастотной накачки проводились в 3см, 2-см и 8-мм диапазонах. Из полученных экспериментальных результатов следует, что под воздействием накачки в спектре прошедших через ТПС сигналов появляются два диапазона (верхний и нижний) частоты которых (обозначим VDifsiif, соответственно) связаны между собой и частотой накачки fp соотношением fs - f,=fp . Это соотношение наблюдалось во всех экспериментах независимо от конкретных значений частоты накачки и ее мощности. В 3-см диапазоне действие накачки оказалось самым сильным: за счет подачи накачки удается получить либо абсолютное усиление сигналов, либо значительное уменьшение его ослабления в частотных полосах вблизи fswfi. В 8-мм диапазоне получено существенное уменьшение ослабления прошедших сигналов в полосах вблизи fs \\ f, .Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что подача низкочастотной накачки (fp<fs) обеспечивает эффективную параметрическую связь ВПЗ с частотами fs и f,, что подтверждает данные теоретических исследований главы 2.

Предложена и теоретически проанализирована новая конструкция интегрального преобразователя частоты 8-мм диапазона, использующего параметрическое взаимодействие ВПЗ в ТПС с ОДП, в которой в качестве выходного элемента связи ТПС с внешней электродинамической схемой применяется встречно-штыревая система металлических полосковых контактов с барьером Шоттки на поверхности ТПС. Такая конструкция выходного элемента связи позволяет совмещать в устройстве функцию преобразования частоты с эффективной фильтрацией полезного и подавлением паразитных сигналов на выходе. Эта предложенная конструкция защищена Свидетельством на полезную модель и Патентом Российской Федерации.

В главе 3 излагается разработанная общая теория параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС, включая структуры с ОДП. В основе теории лежит известная электродинамическая теория возбуждения волноводов заданными токами, которая была обобщена A.A. Барыбиным на случай тонкопленочных волноведущих структур с различными активными средами и, в том числе, ТПС с ОДП.

Если в пленке полупроводника с ОДП вдоль ее плоскости (оси z) создать

сильное статическое электрическое поле, напряженность которого Е0 соответствует падающему участку на зависимости дрейфовой скорости носителей V от Е„ (участок ОДП), то это приведет к возникновению анизотропии дифференциальной подвижности электронов: в направлении дрейфа малосигнальная подвижность электронов определяется дифференциальной иод-вижностыо \-ij----dvidE, а в поперечных направлениях - статической подвижностью цг=у</Е0, что математически выражалось введением тензора малосигнальной подвижности. Пусть в дрейфовом потоке носителей в пленке возбуждаются и распространяются в направлении дрейфа (вдоль оси £) сильная ВПЗ накачки с частотой озр и слабая ВПЗ сигнала с частотой со, . Вследствие нелинейности полупроводника в дрейфовом потоке носителей появляются ВПЗ с частотами <J\■+vap , где у=±1, ±2,...). Каждая из ВПЗ -спектральных компонент этого сложного волнового процесса - имеет бесконечное число мод, различающихся продольными постоянными распространения и поперечными волновыми числами. Все неизвестные динамические переменные задачи (плотность подвижных носителей заряда, их дрейфовая скорость, напряженность электрического поля и электростатический потенциал ВПЗ) на каждой из частот спектра взаимодействующих ВПЗ в области параметрической связи между модами ВПЗ представлялись в виде модовых разложений с неизвестными амплитудами возбуждения. Для нахождения последних записывались уравнения возбуждения, в которых присутствовал параметрически возбуждающий сторонний ток, возникающий вследствие нелинейности полупроводника и связанный с нелинейным членом р-у ( р-плотность подвижных зарядов) в выражении для плотности полного тока. В результате была получена система уравнений для амплитуд возбуждения параметрически связанных мод ВПЗ, которая в явном виде содержит коэффициенты связи между модами на частотах спектра ВПЗ. Полученные уравнения представляют собой бесконечную систему связанных уравнений относительно амплитуд возбужден™, решить которую в общем случае не представляется возможным. Переход к рассмотрешпо конкретных частных случаев может существенно упростить задачу.

На основе разработанной обшей теории проведен теоретический анализ параметрического взаимодействия основных мод ВПЗ в ТПС с ОДП симметричного типа в приближении жесткой границы потока носителей заряда, а также в предположении, что частота низкочастотной накачки /р равна граничной частоте усиливаемых ВПЗ /с (в рассмотренном случае /с порядка 30 ГГц). В сделанных приближениях общая система была сведена к системе двух связашшх обыкновенных дифференциальных уравнений относительно амплитуд возбуждения основных мод с частотами и, и со,=(»5 - Полученные уравнения были решены для ТПС на основе п-СаАъ. В результате анализа решения было установлено, что на фоне общей тенденции роста зависимостей коэффициентов усиления Ка н преобразования К, от координаты г

при увеличении г имеют место довольно сильные колебания этих зависимостей. При этом фазы этих колебаний Ка(г) и К,(2) практически противоположны, а размах этих колебаний максимален при малых г и уменьшается при увеличении г. Сходное по виду поведение наблюдается у зависимостей К„ и К, от мощности ВПЗ накачки Рр . Заметим также, что при увеличении Рр "частота" этих колебаний зависимостей К „(г) и К,(г) возрастает. Отмеченное поведение полученных зависимостей непосредственно связано с особенностями параметрического механизма взаимодействия и обусловлено тем, что по мере развития процесса параметрического взаимодействия происходит периодическая перекачка энергии от ВПЗ сигнала к холостой ВПЗ и обратно к ВПЗ сигнала.

По основным принципиальным позициям результаты полученные на основе разработанной общей теории полностью согласуются с результатами, полученными в предыдущей главе при использовании частных моделей. В то же время, сформулированный и развитый общий подход позволяет анализировать параметрическое взаимодействие для широкого круга наиболее интересных как с научной, так и с практической точек зрения конкретных вариантов конструкций 'ГПС, а также спектральных и модовых составов взаимодействующих ВПЗ. Кроме того, подход, примененный при разработке изложенной общей теории, может быть использован для построения теории параметрического взаимодействия волн в тонкопленочных волноведущих системах другого типа.

В главе 4 исследуются параметрические и нелинейные эффекты в диодах Ганна (ДГ) и устройствах на их основе в миллиметровом диапазоне, включая его коротковолновую часть. Основное внимание уделено проблеме повышения рабочих частот ДГ и устройств с их использованием.

Впервые теоретически на основе локально-полевой модели (ЛПМ) и экспериментально установлено, что при подаче на стабилизированный сверхкритический ДГ кроме постоянного рабочего напряжения и слабого переменного сигнала с частотой/5 еще и интенсивной низкочастотной накачки с частотой /р</; отрицательное сопротивление, вносимое ДГ в цепь слабого сигнала, возрастает. Описанный эффект может рассматриваться как способ увеличения верхней границы диапазона частот усиливаемых сигналов диодом Ганна и, по существу, как способ усиления мощности СВЧ колебаний миллиметрового диапазона, который защищен авторским свидетельством СССР.

Разработана обобщенная однотемпературная модель эффекта Ганна в полупроводниках типа А111 В* (например, п-СаА$ или п-1пР), которая в соответствии с современными экспериментальными и теоретическими данными учитывает непараболичность центральной долины зоны проводимости, а также зависимости времени релаксации эффективной температуры электронов 7],, подвижности электронов в нижней и верхней долинах и отношение плотностей состояний в верхней и нижней долинах от Те. Тестирование мо-20

дели для п-СаАя показало, что она лишена ряда принципиальных недостатков, присущих классической модели МакКамбера и Чайновеса, при этом время счета увеличивается лишь на 15 % по сравнению с последней. Модель успешно применена для решения ряда исследовательских задач.

Впервые проведено комплексное теоретическое исследование влияния особенностей профиля легирования активной области полупроводниковой структуры ДГ с "зарубкой" у катода на спектр тока и амплитуды его гармонических составляющих. В исследованиях использованы как локально-полевая, так и разработанная температурная модели. Установлено, что для создания наиболее оптимальных условий генерации на основной частоте и па частотах, ее гармоник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси ЫА в активной области в направлении от катода к аноду. Впервые обращено внимание на то, что при разработке полупроводниковых структур для ДГ, работающих с выделением мощности на гармониках основной частоты, форма прикатодной "зарубки" (уровень легирования в ней Л-'у и ее ширина \УЫ) должна оптимизироваться. В частности, установлено, что оптимальная форма "зарубки" для ДГ, используемых в генераторах с выходом на второй гармонике, должна выбираться с учетом двух следующих соображений. Во-первых, "зарубка" должна быть достаточно "глубокой" (ЛУЛ^<0,58-^0,61) для того, чтобы обеспечить как можно больший перепад электрического поля при переходе из "зарубки" в активную область. При этом "глубина" не должна быть настолько большой (ТУд/Л^О,44-Я),47), чтобы происходил переход к режиму со статическим доменом у катода. И, во-вторых, ширина "зарубки" должна выбираться, с одной стороны, не слишком малой (Ж^/1А>0,11-Ю, 15, где ЬА - длина активной области), чтобы не происходил переход к режиму со статическим доменом у анода, а, с другой стороны, чтобы она составляла не более половины от длины активной области ДГ (точнее Жу//^<0,5^0,67), поскольку при большей ширине возможно совмещение по времени процесса ухода обедненной части домена в анод и процесса выхода его обогащенной части в активную область.

Проведено экспериментальное исследование и теоретический анализ возникновения генерации СВЧ и КВЧ колебаний диодом Ганна в нечетных зонах неустойчивости параметрической системы. Анализ результатов показал, что механизм возникающей генерации на частоте третьей зоны неустойчивости /з/г~(3/2)-/с (/(; - основная частота генерации) комбинированный. Первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления ДГ на этой частоте. Вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возшгеают незатухающие

колебания. Тот факт, что частота наблюдавшихся в эксперименте колебаний /у2=(3/2у/о , говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации. В спектре колебаний ДГ одновременно с вышеприведенными наблюдалась и еще одна частота, равная (1/2)-/о > которая соответствует первой зоне неустойчивости параметрической системы.

Впервые экспериментально исследована стимулированная генерация диодом Ганна в коротковолновой части см и в мм диапазоне собственной частоты колебаний /с при воздействии на него слабого СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого / никак не связана с частотой генерируемых колебаний. Поскольку мощность сигнала Ра, генерируемого диодом Ганна, оказалась значительно выше мощности Р, внешнего сигнала, стимулирующего эту генерацию, то наблюдаемый эффект можно условно трактовать как усиление с переносом частоты. Наиболее вероятным механизмом наблюдавшейся стимулированной генерации является изменение режима работы диода Ганна по постоянному току (детектирование) при подаче внешнего сигнала, стимулирующего генерацию.

Кратко описываются предложенные новые конструкции диодов Ганна и генераторов на их основе для коротковолновой части см и мм диапазона, защищенные авторскими свидетельствами СССР, патентами и свидетельствами на полезную модель РФ.

В главе 5 проведено теоретическое исследование параметрического взаимодействия СВЧ колебаний на реактивной компоненте проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда (ГНЗ) и проведен анализ возможности создания на этой основе параметрических элементов в мм и субмм диапазонах. С целью оценки перспектив использования конкретных полупроводниковых материалов для создания параметрических элементов такого типа исследовалась высокочастотная проводимость и эффективная температура Те в п-1пБЬ, п-ОаАя, р- и п-Се при температуре решетки 77 К. Для нахождения проводимости и Те при воздействии на полупроводник сильного СВЧ поля решались уравнения сохранения энергии и импульса носителей заряда, полученные из уравнения Больц-мана с использованием смещенной максвелловской функции распределения и с учетом особенностей зонной структуры указанных полупроводников. При этом учитывалось рассеяние на акустических и оптических фононах. В результате было установлено, что значения частот со греющего СВЧ поля, на которых заметно проявляется зависимость проводимости и Те ГНЗ от со для исследуемых полупроводников лежат в диапазоне от 10й до 10ь с"1, что соответствует мм и субмм диапазонам. Зависимость модуля реактивной компоненты проводимости полупроводника, носящей индуктивный характер, от амплитуды греющего поля на каждой фиксированной частоте со имеет максимум, существование которого связано с изменением скорости по-

терь энергии и импульса носителей с ростом ноля.

Теоретически исследована реакция полупроводника, когда к нему приложено сильное постоянное электрическое поле, сильное СВЧ поле накачки с частотой^, , а также слабое СВЧ поле сигнала с частотой/; < /р . В этом случае происходит модуляция реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала с частотой накачки. Конкретные численные расчеты эффекта проведены для п-Ое при температуре решетки 77 К. Показано, что при изменении концентрации электронов п и частот^ и/р происходит смена характера реактивности исследованного полупроводника, что обусловливает большие коэффициенты модуляции диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты проводимости. Впервые установлено, что при частотах / и /,„ лежащих выше 100 ГГц, когда модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости образца пСе становятся величинами одного порядка, реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная.

Результаты главы позволяют сделать вывод о том, что параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью ГНЗ, может использоваться для создания параметрических устройств мм и субмм диапазонов.

В главе 6 приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния статических параметров варакторов с барьером Шоттки (БШ) на их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей мм диапазона.

Впервые проведено целенаправленное теоретическое исследование влияния контактной разности потенциалов ф,- варакторов с барьером Шоттки на их динамические параметры. Установлено, что варакторы с низкими значениями фк при прочих равных статических параметрах имеют большие значения коэффициента модуляции емкости т и критической частоты /кр . Мощность накачки варакторов с фд.=0,2-ь0,4 В в 4 - 5 раз меньше, чем для варакторов с фк=0,8-н1 В. Указанные различия объясняются тем, что у варакторов с меньшими фк при обратных напряжениях до -1 В зависимость емкости от напряжения является более резкой, а при обратных напряжениях выше - 1 В значения постоянной составляющей емкости варактора, находящегося под воздействием накачки, в 1,5-2 раза меньше. Разработаны алгоритм и программы для расчета динамических параметров варакторов с БШ по заданным величинам статических параметров в режимах накачки гармоническим током и гармоническим напряжением. Алгоритм и программа могут быть применены для анализа более сложных негармонических режимов накачки.

Экспериментальные исследования разработанных двухконтурных параметрических усилителей 4-мм и б-мм диапазонов показали, что снижение фк позволяет получать более высокий коэффициент усиления при меньших

уровнях мощности накачки, что подтверждает выводы теоретических исследований. То есть применение варакторов с пониженным значением ок можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения рабочих частот ПУ в коротковолновую часть миллиметрового диапазона.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы работы.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ приведены списки основных используемых сокращений и обозначений физических величин, вспомогательные аналитические выражения и громоздкие математические выводы, а также справки об использовании результатов исследований автора по тематике диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Повышение концентрации электронов в однородно легированной пленке п-СаАз с толщиной й до значений ио=(1-^2)-1015 см"' при выполнении условия 2-1014 м"2, обеспечивающего предотвращение формирования доменов сильного поля, приводит к увеличению граничной частоты /с усиливаемых ВПЗ при их распространении в дрейфовом потоке электронов. При я0=(1+2)-10'5 см^ на зависимости /с от щ наблюдается максимум; дальнейшее увеличение я0 приводит к уменьшению /с , что связано со снижением дрейфовой скорости электронов и модуля их отрицательной дифференциальной подвижности вследствие интенсификации рассеяния на ионизированных примесях.

2. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в полупроводниках и ТПС с ОДП в условиях низкочастотной накачки приводит к увеличению верхней граничной частоты усиливаемых волн, продвигая ее в мм диапазон, обеспечивает эффективное преобразование частоты в мм диапазоне, а также эффективную фильтрацию сигналов, которая может управляться путем изменения амплитуды и частоты накачки. Для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой в полупроводнике с ОДП при низкочастотной накачке (/р < /,) существенным является условие близости частот накачки^ и холостой/¡=/5 -/р, а расстройка от синхронизма по волновому вектору (ДА:) взаимодействующих волн имеет меньшее значение.

3. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС на основе и-ОаЛя в 3-см, 2-см и 8-мм диапазонах позволили установить, что под воздействием низкочастотной накачки в спектре прошедших сигналов появляются два диапазона (верхний и нижний) частоты которых (обозначенные как £ и ^ соответственно) связаны между собой и частотой накачки^ соотношением/я -. Это соотношение между частотами наблюдалось во всех экспериментах независимо от конкретных значений частоты накачки и ее мощности. Полученные экспериментальные результаты согласуются с выводами теоретических исследований.

4. Разработана общая теория, позволяющая анализировать параметрическое взаимодействие ВПЗ в дрейфовом потоке носителей заряда в ТПС и, в том числе, в структурах с ОДП. В основе теории лежит известная электродинамическая теория возбуждения волноводов заданными токами, обобщенная на случай тонкопленочных волновсдущих структур с различными активными средами. Теория позволяет последовательно учитывать диффузию носителей заряда, частотную дисперсию и анизотропию дифференциальной подвижности носителей, реальные условия на границах полупроводниковой пленки, а также проводить рассмотрение парамсгрнческого взаимодействия ВПЗ в условиях многочастотного и многомодового характера волновых процессов.

5. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что подача на стабилизированный сверхкритический диод Ганна кроме постоянного напряжения питания и слабого КВЧ сигнала с частотой fs еще и сильной низкочастотной накачки с частотой fp<fs благодаря параметрическому эффекту приводит к увеличению верхнего частотного предела диапазона частот, в котором диод обладает отрицательным сопротивлением. Это говорит о принципиальной возможности создания параметрических усилителей с низкочастотной накачкой на стабилизированном сверхкритическом диоде Ганна, а сам описанный режим может рассматриваться как способ усиления мощности электромагнитных колебаний мм диапазона.

6. Теоретически на основе локально-полевой и температурной моделей исследовано влияние особенностей профиля легирования активной области структуры п l'-n -п-п -GaAs (п - прикатодная "зарубка"), используемой в диодах Ганна, на спектральный состав тока. Установлено, что для обеспечения наиболее оптимальных условий генерации на основной пролетной частоте и на частотах ее гармоник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси NA в активной области в направлении от катода к аноду. При разработке полупроводниковых структур для диодов Ганна, работающих с выделением мощности на гармониках основной частоты, форма прикатодной "зарубки", а конкретнее - ее ширина WN и "глубина" Ns¡ (уровень легирования в "зарубке") должны оптимизироваться. В частности, установлено, что оптимальная форма "зарубки" для диодов, используемых в генераторах с выходом на второй гармонике, должна выбираться с учетом двух следующих соображений. Во-первых, "зарубка" должна быть достаточно "глубокой" [Nn/Na<0,58^0,61) для того, чтобы обеспечить как можно больший перепад электрического поля при переходе из "зарубки" в активную область. При этом "глубина" не должна быть настолько большой (iVy.'V,(>0,44^0,47), чтобы происходил переход к режиму со статическим доменом у катода. И, во-вторых, ширина "зарубки" должна выби-

раться, с одной стороны, не слишком малой {WN Я^>0,11+0,15, где ЬА - длина активной области), чтобы не происходил переход к режиму со статическим доменом у анода, а, с другой стороны, чтобы она составляла не более половины от длины активной области диода Ганна (точнее IV^ /¿/,<0,5+0,67), поскольку при большей ширине возможно совмещение по времени процесса ухода обедненной части домена в анод и процесса выхода его обогащенной части в активную область.

7. Проведено экспериментальное исследование генерации СВЧ и КВЧ колебаний диодом Ганна в нечетных зонах неустойчивости параметрической системы, теоретически проанализирована возможность такого режима в третьей зоне. Анализ результатов показал, что механизм генерации на частоте /¡/2=(3/2);/с (где /а - основная пролетная частота генерации) комбинированный: первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления диода Ганна на этой частоте, а вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возникают незатухающие колебания. Тот факт, что частота/3;2 наблюдавшихся в эксперименте колебаний равна (3/2)/с , говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации.

8. Впервые исследована стимулированная генерация диодом Ганна собственной частоты колебаний /с при воздействии на него СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого никак не связана с частотой генерируемых колебаний. Поскольку мощность сигнала Рс,, генерируемого диодом Ганна, оказалась значительно выше мощности Р5 внешнего сигнала, стимулирующего эту генерацию, то наблюдаемый эффект можно условно трактовать как усиление с переносом частоты. Наиболее вероятным механизмом наблюдавшейся стимулированной генерации является изменение режима работы диода Ганна по постоянному току (детектирование) при подаче внешнего сигнала, стимулирующего генерацию.

9. При приложении к полупроводнику сильного постоянного электрического поля, сильного СВЧ ноля накачки с частотой/р , а также слабого СВЧ поля сигнала с частотой /¡</р будет происходить модуляция реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала с частотой накачки. Смена характера реактивности германия «-типа при изменении концентрации электронов п и частот обуславливает большие коэффициенты модуляции диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты проводимости полупроводника. При частоте сигнала выше 100 ГГц модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости образца п-Се становятся величинами одного порядка. Причем реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная.

10. Теоретически установлено, что варакторы с барьером Шоттки с низ-

кими значениями контактной разности потенциалов срк при прочих равных статических параметрах имеют большие значения коэффициента модуляции и критической частоты. Мощность накачки варакторов с <р,.-:0,2+0,4 В в 4 - 5 раз меньше, чем для варакторов с ф,,~0,8-И В. Лучшие характеристики разработанных и созданных параметрических усилителей 4-мм и 6-мм диапазонов обеспечивались при использовании в качестве варакторов сотовых структур с барьером Шоттки на GaAs с емкостью при нулевом смещении С(0)=0,025 пФ, последовательным сопротивлением потерь Я/И2-И5 Ом и 9^=0,55-^0,7 В. Эксперименты показали, что снижение qv позволяет получать более высокий коэффициент усиления параметрических усилителей при меньших уровнях мощности накачки. Применение варакторов с пониженным значением фк можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения ПУ в коротковолновую часть мм диапазона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

. Михайлов А.И. Твердотельные параметрические приборы сверхвысоких частот: УчеСн. пособие / Под ред. проф. Климова Б.Н. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989.- 155 с.

;. Михайлов А.И. Влияние частотной дисперсии отрицательной дифференциальной подвижности электронов на усиление волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах арсенала галлия и фосфида индия // Письма в ЖТФ. - 1995. -Т. 21, вып. 21.-С. 89-95. . Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние концентрации электронов в пленке арсени-да галлия на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25, вып. 4. - С. 85-90.

. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. -Вып. 4. - С. 75-76.

. Михайлов А.И., Сергеев С.А Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре одиночным полоско-вым барьером Шоггки //ЖТФ. - 1999. - Т. 69, вып. 1. - С. 128-130. . Михайлов А.И. Динамические параметры варакторных диодов Шоттки с малым значением высоты потенциального барьера// Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1981. - Вып. 6 (330). - С. 28-30. . Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Усиление высокочастотных волн в

полупроводниках с ОДП // ФТП. - 1978. - Т. 12, вып. 3. - С. 601-603 . Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие

высокочастотных волн в n-GaAs // ФТП. - 1979. - Т. 13, вып. 6. - С. 1172-1174. . Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Усиление комбинационных частот в арсениде галлия при взаимодействии слабой волны с волной накачки // Физика полупроводников и полупроводниковая электроника: Межвуз. научн. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. - Вып. 9. - С. 75-80.

10. Игнатьев Ю.М., Михайлов А.И. Параметрическое усиление волн пространственного заряда в полупроводнике с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1990. - Т. 33, № 10. - С. 76-78.

11. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1995. -Т. 38, № 10.-С. 43-51.

12. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Преобразование частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Письма в ЖТФ. - 1996. - Т. 22, вып. 24. - С. 75-78.

13. Михайлов А.И. Экспериментальное исследование параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе арсенида галлия // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, вып. 5. - С. 8085.

14. Патент 2081482 РФ, МКИ Н 01 Р 5/107. Волноводно-копланарный переход / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев (РФ). - № 94022119/09; Заявлено 16.06.94.; Опубл. 10.06.97., Бюл. № 16

15. Фильтрация сигналов в устройствах на волнах пространственного заряда в полупроводниках / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, A.A. Горячев, И.В. Митин // Электродинам. и техн. СВЧ и КВЧ. - 1999. - Т. 7 , №>3. - С. 101-102.

16. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев A.A. Интегрированный преобразователь частоты миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2000. - Т. 43, № 2. - С. 16-24.

17. Свидетельство на полезную модель 9351 РФ, МКИ 6 II 03D 7/00. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). - № 98117279; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 16.02.99., Бюл. № 2.

18. Патент 2138116 РФ, МКИ Н 03 D 7/00, 7/12, Н 01 L 27/095. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). - № 98116381/09; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 20.09.99., Бюл. № 26.

19. Барыбин A.A., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // ЖТФ. -2000. - Т. 70, вып. 2. - С. 48-52.

20. Барыбин A.A., Михайлов А.И., Клецов A.A. Коэффициенты связи волн пространственного заряда при их параметрическом взаимодействии в тонкопленочных структурах арсенида галлия // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. - 1999. - Т. 7 , № 2.-С. 88.

21. Параметрическое усиление СВЧ-колебаний в стабилизированном сверхкритическом диоде Ганна / A.A. Бушков, В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1981. - Вып. 7 (331). - С. 49-50.

22. Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие СВЧ-колебаний в диоде Ганна//ФТП. - 1980. - Т. 14, вып. 6. - С. 1238-1240.

23. А. с. 1154730 СССР, МКИ Н 03 F 3/10. Способ усиления мощности СВЧ-колебаний / В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов (СССР). - № 3491447; Заявлено 14.09.82.; Опубл. 07.05.85., Бюл. № 17.

24. Михайлов А.И. Усовершенствованный вариант однотемпературной модели эффекта Ганна в арсениде галлия // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1999. - Т. 42, №

10.-С. 46-50.

5. Михайлов Л.И., Панфилов В.Б. Влияние профиля легирования активной области диода Ганна на форму тока и амплитуды его гармонических составляющих // Изв.ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1992. - Т. 35, № 1. - С. 76-80.

з. Михайлов Л.И., Лернер Д.М. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния напряжения питания на основную частоту колебаний генераторов Ганна в пролетном режиме // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. - 1999. - Т. 7 , № 2. - С. 143.

1. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Связь динамики домена с формой прикатодной "зарубки" диода Ганна // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24, вып. 21. - С. 16-22.

!. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Сравнительный анализ динамики зарядов в структурах диодов Ганна на п-ОаАв и п-1пР // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. - 1999. -Т. 7 , № 2. - С. 99.

>. Параметрические колебания в генераторах Ганна / В.А. Двинских, В.А. Иванченко, Ю.М. Игнатьев, А.И. Михайлов // Физика полупроводников и полупроводниковая электроника'. Физические свойства полупроводников и структур на их основе: Межвуз. научи, сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. - Вып. 13. - С. 47-52.

). А. с. 1319232 СССР, МКИ Н 03 В 7/14. Генератор второй гармоники / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, В.А. Иванченко, С.Г. Калинин (СССР). - № 3881843; Заявлено 08.04.85.; Опубл. 23.06.87., Бюл. № 23.

. Патент 2019902 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов, С.Г. Калинин (РФ). - № 4948294; Заявлено 26.06.91.; Опубл. 15.09.94., Бюл. № 17.

:. Свидетельство на полезную модель 5304 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов (РФ). - № 96117340; Заявлено 26.08.96.; Опубл. 16.10.97., Бюл. № 10.

. Свидетельство на полезную модель 11942 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, К.А. Разумихин (РФ). - № 99112087/20; Заявлено 08.06.99.; Опубл. 16.11.99., Бюл. № 11.

. Свидетельство на полезную молель 3846 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Генераторный сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов, С.Г. Калинин (РФ). - № 95110895; Заявлено 04.07.95.; Опубл. 16.03.97., Бюл. № 3.

. Михайлов А.И., Двинских В.А., Лернер Д.М. Связь коаксиальных резонаторов через кольцевую полупроводниковую структуру // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. - 1999. - Т. 7, №2. - С. 176.

. Климов Б.Н., Иванченко В.А., Михайлов А.И. Частотная зависимость эффективной температуры в п-ЫБЬ, п-СаЛ* и р-Сс II ФТП. - 1978. - Т. 12, вып. 1. - С. 204206.

. Модуляция диэлектрической проницаемости полупроводника сильным СВЧ-полем / А.А. Бушков, В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1982. - Т. 25, № 10. - С. 95-97.

. К вопросу о проектировании двухкаскадного полупроводникового параметрического усилителя миллиметрового диапазона на диодах с барьером Шоттки / Ю.Д. Биленко, В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов // Физические основы радиоэлектроники и полупроводников. - Саратов, 1977. - Вып. 2. - С. 54-60. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние диффузии на фазовую скорость волн пространственного заряда в полупроводниках // Актуапьные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-98: Материалы Международ, науч.-технич. конф. Сек-

ция 1. Электроника СВЧ. Саратов, СГТУ, 7-9 сентября 1998 г. - Саратов, 1998. -Ч. 1.-С. 95-98.

40. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев A.A. Экспериментальное исследование влияния высоты барьера Шотгки на эффективность управления током тонкопленочной полупроводниковой структуры // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-98: Материалы Международ, науч.-технич. конф. Секция 1. Электроника СВЧ. Саратов, СГТУ, 7-9 сентября 1998 г. - Саратов, 1998. -Ч. 1.-С. 90-94.

41. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Влияние формы прикатодной "зарубки" в активной области диода Ганна на амплитуды гармонических составляющих тока // Антен-но-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи: Материалы 3 Международ. науч.-технич. конф. - Воронеж: ВГУ, 1997. - Т. 2. - С. 313-317.

42. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Влияние градиента концентрации примеси в активной области диода Ганна на спектральный состав тока // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-98: Материалы Международ, науч.-технич. конф. Секция 1. Электроника СВЧ. Саратов, СГТУ, 7-9 сентября 1998 г. -Саратов, 1998. - Ч. 1. - С. 101-106.

43. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние дисперсии отрицательной дифференциальной проводимости на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в полупроводниках // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тез. докл. Всеросс. науч.-технич. конф. с международ, участием. - Таганрог, 1994. - Ч. 1. - С. 88.

44. Михайлов А.И., Ковалев A.A. Граничная частота усиления волн пространственного заряда в тонкоплепочных структурах арсенида галлия // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. докл. международ, науч.-технич. конф. Саратов, СГТУ, 10-12 сентября 1996 г. - Саратов, 1996. - Ч. 2. - С. 64-65.

45. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев A.A. Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в полупроводниках полосковым барьером Шоттки П Материалы Всеросс. межвуз. конф. "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ". Саратов, 4-8 сентября 1997 г. - Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 1997.-С. 127-128.

46. Михайлов А.И. Фильтрация сигналов в полупроводниковых устройствах на волнах пространственного заряда с контуром обратной связи // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. докл. Международ, науч.-технич. конф. Саратов, СГТУ, 10-12 сентября 1996 г. - Саратов, 1996. - Часть 2. - С. 67-68.

47. Иванченко В.А., Игнатьев Ю.М., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие волн объемного заряда в среде с отрицательной дифференциальной проводимостью // Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полу-проводниково диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1985. - Ч. 2. - С. 89.

48. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое усиление высокочастотных волн в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тез. докл. Всеросс. науч.-технич. конф. с межау-народ. участием. - Таганрог, 1994. - Ч. 1. - С. 87.

49. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Преобразование частоты в устройствах на волнах пространственного заряда в тонкоплепочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Актуальные проблемы

электронного приборостроения: Тез. докл. Международ, науч.-технич. конф. Саратов, СГГУ, 10-12 сентября 1996 г. - Саратов, 1996. - Часть 2. - С. 65-66.

0. Иванченко В.А., Игнатьев Ю.М., Михайлов А.И. Влияние низкочастотной накачки на выходной спектр тонкопленочного УБВ на n-GaAs // Взаимодействие электромагнитных воли с полупроводниками и гголупроводниково-диэлектрическими структурами. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. - Часть 2. - С. 117-118. Иванченко В.А., Михайлов А.И. Функциональные возможности тонкопленочных УБВ на n-GaAs в условиях параметрического усиления при низкочастотной накачке // Сб. тез. докл. Всесоюз. совещания "Электроника: преобразователи информации". - Москва-Нижний Новгород, 1991. - С. 12-14.

2. Барыбин A.A., Михайлов А.И. Общая теория параметрической связи волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Материалы Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ". Саратов, 4-8 сент. 1997 г. - Саратов: Изд-во ГосУИЦ "Колледж", 1997. - С. 109-110.

3. Михайлов А.И., Панфилов В.Б. Спектр тока диода Ганна с линейно изменяющейся концентрацией примеси в активном слое // Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом: Труды 3 Всесоюз. школы-семинара. -Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 1991.-С. 132.

1. Михайлов А.И., Панфилов В.Б. Форма СВЧ-тока диода Ганна с "зарубкой" у катода и постоянным градиентом концентрации примеси в активном слое // Семинар "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ": Тезисы докладов. - Навои, 1991.-С. 52.

i. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Влияние формы прикатодной "зарубки" на динамику зарядов в полупроводниковой структуре диода Ганна // Материалы Всерос. меж-вуз. конф. "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ". Саратов, 4-8 сентября 1997 г. - Саратов: Изд-во ГосУИЦ "Колледж", 1997. - С. 126-127.

¡. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Полевая и температурная модели генераторов гармоник на диодах Ганна И Труды конференции "Математическое моделирование физических, экономических социальных систем и процессов" (8-11 сентября 1998 г., Ульяновск) / Под ред. Ю.В.Полянскова. - Ульяновск, 1998. - С. 35-36.

'. Параметрическая генерация на диоде Ганна / В.А. Двинских, В.А. Иванченко, Ю.М. Игнатьев, А.И. Михайлов // Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полунроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1985. -Ч. 2. - С. 126.

. Влияние высоты потенциального барьера варакторных диодов Шоттки на характеристики параметрического усилителя / А.И. Михайлов, В.А. Иванченко, Б.И. Климов и др. // Электроника сверхвысоких частот: Тез. докл. Десятой Всесоюз. науч. конф. - Минск, 1983. - Т. 2. Твердотельная электроника СВЧ. - С. 272-273.

ВВЕДЕНИЕ.

В.1. Общая характеристика и краткий обзор современного состояния проблемы и актуальность темы.

В.2. Цель и основные задачи диссертационного исследования.

В.З. Научная новизна работы.

В.4. Научная и практическая значимость работы.

В.5. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В.6. Апробация работы и публикации

В.7. Личный вклад автора.

В.8. Структура диссертации.

Глава 1.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

1.1. Введение

1.2. Решение дисперсионного уравнения для волн пространственного заряда в полупроводниках с ОДП с учетом частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов.

1.3. Влияние частотной дисперсии отрицательной дифференциальной подвижности электронов и их равновесной концентрации на усиление волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах п - СаА ^

1.4. Перспективы использования фосфида индия в устройствах на волнах пространственного заряда в полупроводниках с ОДП

1.5. Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре одиночным полосковым барьером Шоттки.

1.6. Выводы.

Глава 2.

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ

ПРОВОДИМОСТЬЮ.

2.1. Усиление волн пространственного заряда комбинационных частот при взаимодействии слабой волны с волной накачки в полупроводнике с ОДП.

2.2. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в полупроводниках с ОДП.

2.3. Влияние рассинхронизма волн пространственного заряда на эффективность их связи при параметрическом взаимодействии в полупроводнике с ОДП

2.4. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП симметричного типа.

2.5. Экспериментальное исследование параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п - ОаАя

2.6. Интегральный преобразователь частоты миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с ОДП.

2.7. Выводы.

Глава 3.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

3.1. Введение

3.2. Уравнения Максвелла и параметрически возбуждающий ток.

3.3. Уравнения для амплитуд параметрически связанных мод волн пространственного заряда.

3.4. Расчет нормировочных коэффициентов для тонкопленочной полупроводниковой структуры с сильной асимметрией.

3.5. Анализ упрощенного варианта параметрического взаимодействия волн пространственного заряда для тонкопленочной полупроводниковой структуры с сильной асимметрией

3.6. Выводы.

Глава 4.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ДИОДАХ ГАННА В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ.

4.1. Введение

4.2. Параметрическое усиление СВЧ колебаний в стабилизированном сверхкритическом диоде Ганна. Теоретическая модель

4.3. Параметрическое взаимодействие СВЧ колебаний в диоде Ганна. Эксперимент.

4.4. Обобщенная однотемпературная модель эффекта Ганна в п-ваАз

4.5. Влияние особенностей профиля легирования активной области на спектральный состав тока диода Ганна.

4.6. Параметрические колебания в диодах Ганна в третьей зоне неустойчивости параметрической системы

4.7. Стимулированная генерация диодом Ганна при воздействии на него слабого СВЧ сигнала от внешнего источника.

4.8. Конструирование диодов Ганна и генераторов на их основе на частоты выше пролетной.

4.9. Выводы.

Глава 5.

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЧ КОЛЕБАНИЙ НА РЕАКТИВНОЙ КОМПОНЕНТЕ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ИНЕРЦИОННОСТЬЮ ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА.

5.1. Введение

5.2. Зависимость высокочастотной проводимости и эффективной температуры носителей заряда в п- InSb , п- GaAs , р- и n-Ge от частоты и амплитуды греющего СВЧ поля

5.3. Модуляция диэлектрической проницаемости полупроводника сильным СВЧ полем.

5.4. Расчет коэффициента модуляции параметрического элемента

5.5. Выводы.

Глава 6.

ВЛИЯНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВАРАКТОРОВ НА ИХ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА.

6

6.2. Влияние величины контактной разности потенциалов на динамические параметры варакторных диодов Шоттки .292

6.3. Разработка и экспериментальное исследование двухконтурных параметрических усилителей миллиметрового диапазона.301

6.4. Выводы.313

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.315

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .320

ПРИЛОЖЕНИЯ.350

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Общая характеристика и краткий обзор современного состояния проблемы и актуальность темы Одним из современных научных направлений, развивающихся на стыке радиофизики и физики полупроводников и диэлектриков, является исследование колебательных и волновых процессов в полупроводниках, диэлектриках, структурах, приборах и устройствах на их основе, включая, в первую очередь, взаимодействие колебаний и волн различной физической природы. Исследования подобного рода в части используемых методов и подходов к анализу относятся к радиофизике, а в части изучения влияния особенностей конкретной среды или системы на исследуемые процессы и явления - к физике полупроводников и диэлектриков. Актуальность таких исследований непосредственно связана с их очевидной прикладной направленностью и в значительной степени обусловлена потребностями развития СВЧ систем связи, создания и совершенствования приборов и устройств для генерирования, усиления и обработки радиосигналов, необходимостью продвижения их рабочих частот в диапазоны крайне высоких (КВЧ) и гипервысоких (ГВЧ) частот, которые соответствуют миллиметровому (мм) и субмиллиметровому (субмм) диапазонам длин электромагнитных волн.

Современная физика, ведущая свой временной отсчет с рубежа XIX и XX веков, в последние 40-50 лет переживает особый период. Суть его состоит в существенном и принципиальном усложнении задач, решаемых этой фундаментальной наукой. Если конец XIX и начало XX века прошли под флагом чисто линейных физических теорий - теории электромагнитного поля и квантовой механики, то в настоящее время нелинейные явления, процессы, эффекты, системы, режимы и т.п. стали основными объектами большинства исследований в физике в целом, а также в связанных с ней прикладных научных и технических областях. Это неизбежно повлекло за собой значительное усложнение экспериментов и теорий, а также применяемых математических моделей.

Нелинейные объекты активно изучаются в различных областях науки и техники. Несомненно, что в различных областях научного знания существует своя специфика. Однако понятие нелинейности приобретает всеобщий, междисциплинарный характер. К нелинейным относятся явления, возникающие в результате реакции изучаемого объекта на сильное внешнее воздействие, либо в результате существенных внутренних изменений в нем самом. Связь между воздействием и реакцией объекта на это воздействие или же между внутренними изменениями в нем и их внешними проявлениями в этом случае может быть очень сложной, трудно поддающейся прогнозированию, изучению, описанию.

Нелинейные явления свойственны принципиально любым системам: физическим, биологическим, социальным, техническим и другим. Для всех нелинейных явлений в любых системах характерны очень сложные, неожиданные, на первый взгляд, превращения, принципиальная трудность объяснения, интерпретации, истолкования, прогнозирования и изучения.

Особое место занимают нелинейные явления в физике, которая заслуженно считается эталоном естественнонаучного знания. Поэтому результаты изучения нелинейных явлений в физике могут давать перспективные и плодотворные идеи не только для различных областей техники (что давно уже стало вполне привычным), но и для других естественных и гуманитарных наук.

Нелинейные эффекты в электричестве и магнетизме были известны со времен Максвелла. Насыщение намагничения ферромагнетика, диэлектрическая нелинейность сегнетоэлектриков, электрический разряд в газе, выпрямление переменного тока, детектирование радиосигналов, электрические свойства р-п-перехода и контакта металла с полупроводником - вот только некоторые наиболее известные в физике примеры. Большинство важнейших открытий и достижений физики и техники последних 40-50 лет касаются именно нелинейных явлений и процессов. Этот период развития современной физики справедливо можно считать и называть периодом нелинейной физики. Можно задаться вопросом, все ли физические среды нелинейны? Исследования в различных областях физики показывают, что ответ на этот вопрос должен быть определенно положительным.

В последние десятилетия наиболее интенсивно исследовались нелинейные явления, процессы и объекты в оптике, акустике, радиофизике, теории колебаний и волн, акустоэлектронике, гидро- и аэродинамике, физике полупроводников и диэлектриков, вакуумной, твердотельной и полупроводниковой электронике [1-28]. Практическими результатами этих исследований явились многие выдающиеся научные открытия и технические достижения в области разработки различных приборов и устройств в СВЧ, КВЧ, инфракрасном и оптическом диапазонах.

Поскольку линейных систем, строго говоря, в принципе не существует, то линейными в полном смысле этого слова могут быть только модели реальных физических и технических систем, получающиеся обычно при использовании некоторых упрощающих предположений (например, хорошо известного малосигнального приближения). В результате линейные модели не могут давать полного описания явлений, а лишь указывают на главные тенденции развития изучаемых процессов.

Вне зависимости от конкретного физического механизма все нелинейные эффекты, возникающие в физических и технических системах, можно разделить на статические и динамические. Статические нелинейные эффекты заключаются в изменении параметров системы под влиянием сильных статических или медленно меняющихся внешних воздействий. Примером может служить эффект управления величиной проходящей по волноводу СВЧ мощности путем изменения постоянного напряжения на полупроводниковом переключательном СВЧ диоде. Динамические эффекты - это такие, которые возникают в нелинейной системе в результате внешних быстро меняющихся во времени интенсивных воздействий на нее. К таковым, например, относятся эффекты самовоздействия или взаимодействия колебаний и волн в разнообразных физических и технических средах и системах. На основе нелинейных динамических эффектов в настоящее время создан широкий перечень приборов и устройств обработки информационных сигналов.

Добавим здесь, что наиболее интересные проявления нелинейных свойств конкретной среды или системы наблюдаются именно в динамике и, в частности, при возбуждении в них колебаний или волн большой амплитуды. Поэтому подавляющее большинство исследований нелинейных сред и систем посвящено изучению протекания в них колебательных и волновых процессов различной физической природы и, в особенности, взаимодействия колебаний и волн [1-5,9].

Перспективными с практической точки зрения нелинейными физическими средами являются полупроводники, а также полупроводниковые структуры, широко используемые в электронных приборах. В настоящее время особенно актуальными являются исследования динамических проявлений нелинейных свойств полупроводников, полупроводниковых структур и приборов именно в мм и субмм диапазонах, где начинают существенно сказываться инерционные свойства носителей заряда и связанные с этим эффекты, которые в конечном итоге являются физической причиной ограничений сверху диапазона рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств. Как известно, верхние граничные частоты работы большинства полупроводниковых радиоэлектронных приборов лежат именно в КВЧ и ГВЧ диапазонах. Проблема расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов и устройств и, в частности, одна из главных - увеличение их рабочих частот - может решаться различными путями: совершенствованием технологии и конструкций, оптимизацией режимов работы, поиском новых перспективных полупроводниковых материалов и новых эффектов и т.п. К числу таких путей можно отнести использование механизма параметрической связи колебаний и волн в полупроводниках, структурах и приборах на их основе, который оказывается возможным благодаря их нелинейным свойствам. Принципиальная возможность, характер и степень проявления этих нелинейных свойств в динамическом режиме (при одновременном воздействии слабого сигнала и интенсивной накачки) являются ключевыми вопросами при оценке перспектив использования параметрического механизма связи колебаний и волн для решения упомянутых выше задач в каждом конкретном случае.

Параметрическими принято называть явления, возникающие в определенной физической системе благодаря периодическому изменению ее параметров [14,29-38]. Это изменение параметров системы, или, иначе говоря, модуляция возникает чаще всего вследствие внешнего интенсивного периодического воздействия на систему, которое принято называть накачкой. Здесь сразу стоит отметить, что существуют параметрические системы, в которых возможна так называемая самонакачка, возникающая вследствие собственных, характерных для системы механизмов неустойчивости. Примером параметрической системы с самонакачкой может служить полупроводниковый кристалл п — СаАя, в котором в сильных статических электрических полях имеет место известный эффект Ганна [24,25].

Сильное внешнее воздействие (или самовоздействие) является неким общим элементом для нелинейных и параметрических явлений и систем. Количественный критерий силы или слабости этого внешнего воздействия может быть сформулирован или введен в каждом конкретном случае только с учетом конкретной физической природы и специфики изучаемого явления, процесса или объекта.

Параметрические и нелинейные явления и системы с точки зрения их математического описания имеют много общего и сходного. Параметрические явления и системы описываются линейными уравнениями с переменными параметрами. Однако осуществить точно заданный закон изменения параметра системы возможно, лишь когда в системе можно не учитывать различного рода взаимодействия и обратные реакции. Чаще же всего элемент системы, параметры которого изменяются под воздействием накачки, является нелинейным. А поэтому, строго говоря, при этом речь должна идти о достаточно сложном явлении - взаимодействии колебательных или волновых процессов в нелинейной системе. С другой стороны, и нелинейная система может рассматриваться как параметрическая, если задачу о воздействии на систему интенсивной накачки решить предварительно и отдельно от задачи о реакции системы на слабый сигнал. В таком случае, если задача о воздействии на систему накачки решена и найден закон изменения параметра (параметров) системы, то дальнейшее исследование реакции системы на слабый сигнал может решаться как задача параметрическая.

Многолетний и неослабевающий интерес ученых и специалистов к нелинейным системам, средам и эффектам, взаимодействию колебаний и волн обусловлен рядом причин, среди которых наиболее важными являются две:

• нелинейные объекты исследования, колебательные и волновые процессы присутствуют во всех научных и технических областях, и, таким образом, их изучение представляет интерес не только для конкретной предметной области, но имеет и фундаментальное, междисциплинарное, общенаучное значение;

• обширные технические и другие практические приложения результатов исследований конкретных нелинейных явлений и связанных с этим взаимодействий колебаний и волн.

Параметрические явления известны в науке и технике уже больше столетия. Еще в 1883 г. Мельде и Релей в своей классической книге "Теория звука" описали параметрическое возбуждение колебаний струны. В 30-е годы XX века параметрические явления интенсивно изучались в нашей стране известной научной школой академиков Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, которые, в частности, исследовали параметрические колебания в контуре с меняющимся во времени реактивным сопротивлением ( индуктивностью или емкостью). Однако настоящие систематические и беспрецедентно интенсивные исследования и технические приложения параметрических явлений и систем начались в конце 40-х и в 50-х годах после того, как в 1948 г. А.И. Ван-дер-Зил впервые указал на низкий уровень собственных шумов параметрических усилителей [39].

В 1954 г. академик Вул Б.М. предложил использовать в качестве активного элемента параметрических устройств электрически управляемую емкость р-п- перехода полупроводникового диода при обратном напряжении на нем [40,41]. После этого в 1958 г. в США были созданы первые параметрические усилители (ПУ) электромагнитных колебаний на частоту 6 ГГц на полупроводниковых параметрических диодах (варакторах) с р-п- переходом [42,43], обладающие высоким коэффициентом усиления (до 35 дБ) и низким уровнем собственных шумов (~ 3 дБ), как и предсказывалось Ван-дер-Зилом. В 1959 г. интенсивные работы по параметрическим усилителям начались и у нас в стране: Правительством была утверждена программа, работы по которой возглавил директор ИРЭ АН СССР академик Владимир Александрович Котельников. Уже в самом начале 60-х годов в результате реализации этой программы был создан ряд экспериментальных параметрических СВЧ усилителей, один из которых, будучи установлен в составе оборудования одной из станций обнаружения и наведения противовоздушной обороны под г. Свердловском, позволил существенно увеличить дальность ее действия и дал возможность обнаружить и сбить американский самолет-шпион ГГ-2, пилотируемый Пауэрсом (информация из [44]).

Создание первых малошумящих ПУ СВЧ диапазона стало мощным стимулирующим фактором для изучения параметрических явлений в самых различных физических и технических системах и их практического использования. Основной целью дальнейших исследований параметрических явлений, как и следовало ожидать, стало выяснение возможностей получения параметрического усиления колебаний или волн с использованием различных физических систем. В связи с этим, представляется очень примечательным тот факт, что практически все твердотельные электронные приборы диодного типа (с двумя электрическими выводами), как правило, сразу же после открытия соответствующего физического эффекта и их создания испытывались в качестве параметрических. Причем это можно сказать не только о таких признанных фаворитах, какими являются в данном применении параметрические диоды с барьером Шоттки и с р - п-переходом, но и о варакторах со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, сегнетоэлектрических планарных нелинейных конденсаторах (варикондах), туннельных диодах, лавинно-пролетных диодах, диодах Ганна, точечных контактах с эффектом Джозефсона и других [45].

В настоящее время ПУ на полупроводниковых диодах применяются во всем СВЧ диапазоне, включая мм диапазон. Наибольшие успехи в разработке ПУ мм диапазона связаны с применением варакторов с барьером Шоттки на СаАз. С их использованием были созданы ПУ на 55 - 65 ГГц [46-48], в которых применялись корпусные варакторы, что ограничивало полосу усилителей. Развитие фотолитографии и применение ее при изготовлении барьеров Шоттки позволило создать так называемые "сотовые" структуры с диаметром окон порядка 2-3 мкм [49], что дало возможность значительно снизить емкость варакторов, а также чисто конструктивно облегчило использование бескорпусных варакторов. Использование таких бескорпусных варакторов с "сотовой" структурой позволило при создании ПУ не только продвинуться в более коротковолновую область, но и одновременно существенно повысить полосу пропускания. Так, например, были созданы ПУ на частоты от 37 до 94 ГГц с полосой от 1 до 3 ГГц [50-55]. Причем коэффициент шума всех перечисленных ПУ был менее 3 дБ.

Как известно, низким уровнем собственных шумов обладают усилители на лампах бегущей волны, электроннолучевые параметрические усилители, усилители на туннельных диодах, усилители на диодах Ганна, транзисторные усилители, мазеры (квантовые усилители) и некоторые другие [29-38, 44,56-60]. Однако ПУ на варакторах обладают наилучшей совокупностью параметров для применения во входных цепях СВЧ приемных систем. В настоящее время ПУ на варакторных диодах Шоттки являются самыми малошумящими приемными устройствами во всем мм диапазоне как для комнатной, так и для криогенных температур. По основному параметру (мере шума), в частности, вырожденный ПУ, по крайней мере, в 5 раз превосходит наиболее чувствительный и популярный за рубежом тип приемного устройства на базе НЕМТ-усилителя [44,59,60].

Несмотря на достигнутый прогресс в разработке параметрических приборов и устройств для коротковолновой части сантиметрового (см) и мм диапазонов ПУ на варакторах с р- ^-переходом или с барьером Шоттки на частоты выше 30 ГГц являются в настоящее время уникальными устройствами. Создание же ПУ на частоты порядка 100 ГГц и выше встречает большие трудности как технического, так и принципиального физического характера. К техническим относятся трудности, обусловленные сложностью технологии создания варакторов с высокими значениями критической частоты, а также сложностью изготовления конструкций усилителей. Принципиальные физические трудности связаны с ограничениями, обусловленными инерционностью носителей заряда и скин-эффектом, следствием которых является увеличение сопротивления потерь варактора и снижение его предельной частоты. Тем не менее, до последнего времени наиболее распространенным путем повышения критической частоты варакторов является снижение сопротивления потерь и барьерной емкости при сохранении высоких значений коэффициента модуляции емкости.

Это достигается совершенствованием конструкции и технологии создания ва-ракторов и использованием новых полупроводниковых материалов. Существуют и другие пути, однако на сегодняшний день многие вопросы, связанные с проблемой создания ПУ в коротковолновой части мм диапазона, исследованы еще недостаточно. Так, в частности, до настоящего времени не проведено целенаправленного исследования влияния величины контактной разности потенциалов на динамические параметры варакторных диодов Шоттки и на характеристики ПУ. Выполнение такого исследования представляется актуальным особенно в связи с активным изучением таких новых и перспективных для полупроводниковой электроники материалов, как 1пР и твердых растворов типа 1пх (ЗЦХ А $ или 1пх Са\х РуА , барьеры Шоттки на которых имеют пониженные значения контактной разности потенциалов по сравнению с традиционным арсенидом галлия [61-63]. Проведение такого исследования имеет большое практическое значение, потому что оно непосредственно связано с одной из важнейших и пока еще полностью не решенных проблем современной радиофизики, радиотехники и электроники - созданием малошумящих приемных устройств в коротковолновой части мм диапазона.

Увеличение рабочих частот параметрических устройств и, в частности, параметрических усилителей, необходимость улучшения их параметров и характеристик в последние 30 лет стимулируют стойкий и постоянный интерес к исследованию механизма параметрического взаимодействия волн в полупроводниках, диэлектриках, магнетиках, а также приборах и устройствах на их основе. В результате таких исследований показана возможность параметрического усиления ультразвука и гиперзвука в пьезополупроводниках [64-68], электромагнитных волн мм и субмм диапазонов - в сегнетоэлектриках [69], пара-электриках [70], полупроводниках с непараболическим законом дисперсии электронов [71,72]. Активно исследуется параметрическое взаимодействие магнитостатических спиновых волн, распространяющиеся в пленках ферритов

73,74]. Продолжают интенсивно изучаться и общие вопросы взаимодействия волн разной природы в различных нелинейных средах [5,8,9,11,12,15-19,75-77].

Особый интерес для практики представляет изучение взаимодействия волн в активных средах [8,15], которые способны усиливать монохроматические волны с частотами из определенного ограниченного диапазона за счет собственных непараметрических механизмов неустойчивости. Главной особенностью взаимодействия параметрически связанных волн в нелинейных активных средах является возможность одновременного роста амплитуд всех связанных волн и, следовательно, получения параметрического усиления высокочастотных волн с использованием низкочастотной накачки. Возможность использования низкочастотной накачки в параметрических устройствах является особенно важной для коротковолновой части мм диапазона, где проблема создания генераторов особенно острая.

Примером нелинейной активной среды является полупроводник, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) в некотором диапазоне частот (например, у п — ОаА 5 ОДП существует вплоть до коротковолновой части мм диапазона, а у п — 1пР - даже до субмм диапазона) вследствие междолинных электронных переходов в сильных электрических полях. Электромагнитные волны и квазистатические волны пространственного заряда (ВПЗ) с частотами, на которых полупроводник обладает ОДП, могут усиливаться при распространении в нем [24,25,78]. Волны с частотами, на которых ОДП нет, затухают. Однако в условиях взаимодействия затухающих и усиливающихся волн, обусловленного нелинейностью полупроводника, затухающие в обычных условиях волны при определенных условиях могут стать нарастающими. В связи с этим представляет интерес исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках с ОДП при низкочастотной накачке, а также определение условий, при которых на его основе могут быть реализованы параметрическое усиление, эффективное преобразование частоты и другие радиотехнические функции в коротковолновой части см и в мм диапазоне шкалы длин электромагнитных волн. Практическое значение исследований параметрического взаимодействия ВПЗ в таких полупроводниках с ОДП, как п - СаА 5 и п — 1пР , и тонкопленочных структурах на их основе велико еще и потому, что они позволяют решать вопросы, связанные с проблемой создания функциональных устройств коротковолновой части см и мм диапазона в интегральном исполнении (например, тонкопленочных усилителей бегущей волны, преобразователей частоты, фильтров и других) [79], поскольку длины ВПЗ на три порядка меньше длин электромагнитных волн на тех же частотах.

На момент начала данного диссертационного исследования существовала лишь одна теоретическая работа по взаимодействию электромагнитных волн в полупроводниках с ОДП [80]. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках с ОДП, а также данные о создании параметрических устройств на их основе до сих пор отсутствуют. Теории эффекта, известные на сегодняшний день, имеют недостатки, ограничивающие их применение. Здесь уместно добавить, что все известные теоретические работы по ВПЗ в полупроводниках с ОДП и экспериментальные работы по устройствам на них выполнены только для одного полупроводника - п - ОаАз. Конкретные данные по оценке перспектив использования другого из упоминавшихся выше полупроводников - п — 1пР - для создания устройств на ВПЗ в литературе практически отсутствуют. В связи со сказанным проведение широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении представляется актуальным и необходимо как для понимания особенностей взаимодействия ВПЗ в средах с ОДП, так и для практической реализации интегральных микроэлектронных функциональных устройств в мм диапазоне на этой основе.

Междолинные электронные переходы, происходящие в сильных электрических полях в таких полупроводниках, как п - СаА б и п — 1пР , являющиеся причиной возникновения ОДП, лежат также в основе работы диодов и генераторов Ганна [24,25,81]. Сам эффект Ганна - это один из самых замечательных примеров нелинейных явлений в полупроводниках, который проявляется в условиях разогрева электронов сильными электрическими полями и наблюдается в полупроводниках со сложной зонной структурой. ОДП, возникающая вследствие междолинных переходов электронов, является причиной ганновской неустойчивости - периодического возникновения бегущих доменов сильного поля. Наличие ОДП позволяет использовать эффект Ганна для создания усилителей и генераторов электромагнитных колебаний. Созданные на основе эффекта Ганна генераторы СВЧ и КВЧ диапазонов в настоящее время по совокупности параметров превосходят все другие типы твердотельных генераторов [24,49, 81-86]. Однако, несмотря на многолетние исследования многие вопросы, связанные как с самим эффектом Ганна и моделями, используемыми для его описания, так и с различными аспектами работы, конструирования и создания устройств на его основе в особенности на частотах, близких к предельным, исследованы недостаточно.

Для описания эффекта Ганна и электронных процессов в полупроводниковых структурах диодов Ганна используются математические модели различного уровня сложности и соответствия данным эксперимента как с точки зрения физических представлений, так и с точки зрения математической формулировки задачи. В связи с большой сложностью физических процессов, лежащих в основе эффекта Ганна, и постоянным появлением новых данных, уточняющих представления о физике междолинных электронных переходов в п - ОаА 5 и п — 1пР, создание новых и модернизация уже известных феноменологических моделей в настоящее время продолжает оставаться актуальной проблемой физики полупроводников и полупроводниковой СВЧ электроники.

Освоение все более коротковолновых диапазонов предъявляет и к генераторам, и к другим устройствам на диодах Ганна (ДГ) постоянное требование повышения рабочих частот. Эта задача не может быть решена без детальных и систематических исследований как самого эффекта, так и особенностей его проявления и работы устройств на частотах, близких к предельным и превышающих пролетную частоту генерации. Одним из наиболее перспективных путей повышения рабочих частот генераторов на ДГ является выделение мощности на гармониках основной частоты [84,86]. При этом выяснено, что механизм генерации диодами Ганна, в частности, на второй гармонике в основном параметрический [87]. Однако полной ясности в этом вопросе до сих пор нет. Нужны дополнительные исследования.

Динамика электронных процессов в полупроводниковой структуре ДГ в значительной степени определяется профилем легирования. Требования к структуре диодов, предназначенных для работы на основной частоте и на гармониках могут заметно различаться [84,86]. В связи с этим представляет научный и практический интерес изучение влияния профиля легирования на спектр тока ДГ и амплитуды его гармонических составляющих. Результаты таких исследований позволят выработать рекомендации по оптимизации структуры ДГ, специально предназначенных как для работы на основной частоте, так и для работы с выделением мощности на гармониках основной частоты. Кроме того, имеются особенности и в конструкциях генераторов гармоник на диодах Ганна. Перспективным подходом при создании генераторов гармоник на ДГ и самих диодов на частоты выше 50 ГГц может быть проектирование таких конструкций, в которых у корпуса диода были бы совмещены его традиционные функции с функцией резонансной системы (хотя бы частично).

В дополнение к сказанному отметим, что в настоящее время актуальной научной задачей является изучение особенностей поведения диодов Ганна и устройств на их основе при условии воздействия на них внешних как интенсивных, так и слабых СВЧ сигналов, приводящих, в частности, к различным нелинейным и параметрическим эффектам. Представляет интерес исследование параметрического взаимодействия СВЧ колебаний в диодах Ганна в одном из наиболее перспективных для мм диапазона случаев - при низкочастотной накачке. Такие исследования могут дать информацию, полезную и для уточнения понимания самого эффекта Ганна, и для разработки принципиально новых и совершенствования уже известных приборов и устройств мм диапазона.

Помимо эффекта ОДП сильные электрические поля вызывают в полупроводниках ряд других нелинейных явлений, обусловленных разогревом носителей заряда [22-27]. Все они зависят не только от амплитуд, но и от частот воздействующих на полупроводник электрических полей и от соотношения периодов этих полей с временами релаксации энергии и импульса носителей и их междолинных переходов. К таким эффектам относится появление на частотах порядка 100 ГГц и выше заметного фазового сдвига между током в полупроводнике и электрическим полем, который эквивалентен появлению реактивной компоненты проводимости полупроводника и обусловлен инерционностью свободных носителей заряда. Реактивная компонента проводимости полупроводника, существенно влияющая на работу полупроводниковых приборов на этих частотах, определяется временами релаксации энергии и импульса носителей заряда, которые, в свою очередь, зависят от величины греющего электрического поля. Если греющее поле менять во времени, то появляется принципиальная возможность модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника. Сама возможность, характер и степень этой модуляции во многом будут определяться конкретным выбором частот и амплитуд сигнала и накачки. Поскольку характерные частоты рассеяния энергии и импульса носителей заряда в полупроводниках лежат в коротковолновой части мм и субмм диапазонах, представляет интерес провести исследование указанного эффекта модуляции именно в этих диапазонах.

Следует отметить, что исследование параметрических и нелинейных эффектов в полупроводниках и полупроводниковых приборах, изучение особенностей взаимодействия в них колебаний и волн различной природы имеет не только очевидное прикладное, но и самостоятельное теоретическое значение, поскольку позволяет расширять и уточнять физические представления и математические модели различных физических процессов в полупроводниках, диэлектриках и структурах на их основе. Подтверждением тому является ряд известных монографий [1,3,6,9,88-91], посвященных общим теоретическим аспектам названной проблемы.

Приведенный в данном разделе краткий анализ свидетельствует о том, что исследование параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и в полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах представляет собой актуальную и важную проблему на стыке радиофизики и физики полупроводников. В исследованиях по этой проблематике, а также в разработке полупроводниковых параметрических приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов достигнуты определенные успехи. Тем не менее, целый ряд вопросов, относящихся к особенностям проявления параметрических и нелинейных эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах, а также вопросов, связанных с проблемой повышения предельных рабочих частот соответствующих приборов и устройств, расширения их функциональных возможностей, остается либо вовсе неизученным, либо изучен недостаточно подробно. Поэтому исследования по теме диссертации являются актуальными и имеют большое прикладное значение.

В.2. Цель и основные задачи диссертационного исследования

Целью данной диссертационной работы является разработка и развитие физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определение путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей, а также разработка физических основ создания новых приборов и устройств.

Для достижения сформулированной цели решались следующие основные задачи:

1). Установление характера и степени влияния частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов в п — ОаА 5 и п - 1пР, уровня легирования и толщины полупроводниковой пленки тонкопленочных полупроводниковых структур (ТПС) на граничную частоту усиления и фазовую скорость ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке электронов.

2). Теоретическое и экспериментальное исследование параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и ТПС с ОДП в коротковолновой части см и мм диапазоне при низкочастотной накачке и возможностей создания на этой основе функциональных устройств миллиметрового диапазона.

3). Разработка общей теории, позволяющей проводить последовательный и детальный анализ параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС и, в том числе, в структурах с ОДП с учетом диффузии, дисперсии и анизотропии дифференциальной подвижности носителей заряда, а также многочастотного и многомодового характера волновых процессов и реальных условий на границах полупроводниковой пленки.

4). Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных и параметрических явлений, возникающих в полупроводниковых структурах диодов Ганна и колебательных системах с диодами Ганна в миллиметровом диапазоне.

5). Теоретическое исследование инерционных свойств горячих носителей заряда в полупроводниках при одновременном воздействии сильного статического и сильного переменного электрического СВЧ поля накачки. Анализ возможности использования инерционных свойств носителей заряда в полупроводниках для создания параметрических приборов и устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

6). Теоретическое и экспериментальное исследование влияния величины контактной разности потенциалов бескорпусных варакторных диодов Шоттки на их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона.

7). Использование результатов проведенных исследований для разработки и создания полупроводниковых приборов и устройств обработки радиосигналов в мм диапазоне (параметрических усилителей, генераторов, преобразователей частоты, смесителей сдвига, управляемых фильтров), улучшения их параметров и характеристик, расширения функциональных возможностей.

В.З. Научная новизна работы

1. Проведен детальный сравнительный анализ факторов, определяющих особенности возбуждения и распространения ВПЗ в дрейфовом потоке носителей заряда в полупроводниках и ТПС с ОДП. Показано, что наиболее существенное влияние на характер распространения ВПЗ в коротковолновой части см и мм диапазоне наряду с диффузией оказывает дисперсия дифференциальной подвижности носителей. Впервые установлено, что для однородно легированной пленки п — СаА 5 с толщиной й и равновесной концентрацией электронов

14 2 щ при условии По • с1 = 2 • 10 м", обеспечивающем предотвращение формирования доменов сильного поля, на зависимости верхней граничной частоты /с усиливаемых ВПЗ от щ имеется максимум. Значения /с для п - 1пР в 2 -г- 3 раза выше, чем для п - ОаА б , что связано в основном с более низким значением коэффициента диффузии и более высоким значением дрейфовой скорости электронов у п - 1пР в полях, соответствующих режиму ОДП.

2. Впервые теоретически и экспериментально исследовано параметрическое взаимодействие ВПЗ в дрейфовом потоке электронов в полупроводниках и ТПС с ОДП при низкочастотной накачке. Установлено, что наличие низкочастотной ВПЗ накачки в полупроводнике или в ТПС с ОДП приводит к тому, что затухающие в обычных условиях (без накачки) волны пространственного заряда коротковолновой части см и мм диапазона могут стать нарастающими либо их затухание может быть существенно уменьшено. Теоретически показано, что для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой в полупроводнике с ОДП существенным является условие близости частот накачки /р и холостой /1 = /з — /р, а расстройка от синхронизма по волновому вектору ( А к) взаимодействующих сигнальной и холостой волн имеет меньшее значение.

3. Впервые разработана общая теория параметрического взаимодействия ВПЗ, распространяющихся в дрейфовом потоке носителей заряда в ТПС, и в том числе в условиях ОДП с учетом диффузии, дисперсии дифференциальной подвижности носителей заряда, реальных условий на границах полупроводниковой пленки, многочастотного и многомодового характера волнового процесса.

4. Впервые теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при подаче на стабилизированный сверхкритический диод Ганна кроме слабого сигнала еще и мощной низкочастотной накачки отрицательное сопротивление, вносимое диодом Ганна во внешнюю колебательную систему на частотах, превышающих пролетную, возрастает. Этот эффект позволяет увеличивать верхний частотный предел усилителей на диодах Ганна.

5. Впервые проведено целенаправленное теоретическое исследование влияния особенностей профиля легирования активной области полупроводниковых структур диодов Ганна на спектр тока и амплитуды его гармонических составляющих. Численное моделирование с использованием локально-полевой и температурной моделей показало, что для создания оптимальных условий генерации на основной пролетной частоте и на частотах ее гармоник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. В частности, максимальный уровень основной спектральной составляющей тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси Ид в активной области в направлении от катода к аноду. Ширина зарубки" и уровень легирования в ней N("глубина") для диодов Ган-на, используемых в генераторах с выходом на второй гармонике, должны выбираться из следующих интервалов: 0,45 < Л/^ /ИА < 0,6 и

0,15 < /ЬА < 0,6 (где ЬА - длина активной области). Выполнение приведенных условий, с одной стороны, предотвращает переход к режиму со статическим доменом у катода или анода, а, с другой стороны, обеспечивает максимально возможный перепад электрического поля при переходе из "зарубки" в активную область и разнесение по времени процессов выхода обогащенной части домена в активную область и ухода его обедненной части в анод.

6. Впервые экспериментально обнаружена и проанализирована генерация КВЧ колебаний диодом Ганна в 3-й зоне неустойчивости параметрической системы. Анализ показал, что механизм генерации на частоте /3/2 = (3/2) • где /(з - основная пролетная частота) комбинированный. Первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления ДГ на этой частоте. Вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего и возникают незатухающие колебания. Тот факт, что частота /3/2 наблюдавшихся в эксперименте колебаний равна (3/2)•/(}, говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации.

7. Впервые экспериментально наблюдалась стимулированная генерация диодом Ганна собственной частоты колебаний при воздействии на него

СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого /3 никак не связана с частотой /(з , а мощность значительно меньше мощности сигнала, генерируемого диодом Ганна.

8. Впервые теоретически исследован эффект модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала с частотой накачки /р в условиях, когда к полупроводнику приложено сильное постоянное электрическое поле, сильное СВЧ поле накачки с частотой /р, а также слабое СВЧ поле сигнала с частотой < /р . Установлено, что при изменении концентрации электронов п и частот /8 и /р может происходить смена характера реактивности полупроводника, обусловливающая большие коэффициенты модуляции его диэлектрической проницаемости и реактивной компоненты его проводимости. В коротковолновой части мм диапазона, когда модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости становятся величинами одного порядка, реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная. Параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда, может использоваться для создания параметрических устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

9. Впервые проведено целенаправленное теоретическое и экспериментальное исследование влияния контактной разности потенциалов на динамические параметры варакторных диодов Шоттки и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона. Показано, что снижение контактной разности потенциалов варакторных диодов Шоттки при прочих равных условиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона.

В.4. Научная и практическая значимость работы

Научная ценность работы состоит в разработке и развитии физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и структурах полупроводниковых приборов и устройств мм диапазона, а также в разработке физических основ создания новых полупроводниковых приборов и функциональных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.

Научные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией, использованы в научно-исследовательских работах Института космических исследований АН СССР, Саратовского филиала Института радиотехники и электроники АН СССР, предприятия п/я В-8828 (г. Москва), НИИ механики и физики при Саратовском государственном университете, что подтверждено соответствующими справками, приведенными в приложении к диссертации.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Установленные особенности распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниках и полупроводниковых структурах с ОДП позволяют определить наиболее оптимальные подходы к разработке и конструированию функциональных микроэлектронных устройств обработки радиосигналов в коротковолновой части см и мм диапазонах, основанных на этих принципах (усилителей, смесителей сдвига, управляемых фильтров, синтезаторов частот).

2. Результаты исследования параметрических и нелинейных эффектов в диодах Ганна и генераторах на их основе позволяют сформулировать новые подходы к решению проблемы увеличения их рабочих частот, наиболее общие требования к особенностям структуры диодов Ганна, предназначенных для работы с выделением мощности на гармониках основной частоты, предложить новый способ усиления мощности СВЧ колебаний, демонстрируют возможность получения генерации, стимулированной слабым внешним сигналом мм диапазона. Все это является особенно важным при разработке наиболее коротковолновых вариантов диодов, усилителей, генераторов, преобразователей частоты и других устройств на диодах Ганна.

3. Результаты исследования инерционных свойств горячих носителей заряда в полупроводниках, а также базирующегося на этом эффекта модуляции проводимости полупроводника демонстрируют один из возможных путей создания параметрических приборов и устройств в мм и субмм диапазонах.

4. Установленная закономерность, определяющая связь контактной разности потенциалов варакторных диодов Шоттки с их динамическими параметрами и характеристиками параметрических усилителей, может использоваться при разработке и проектировании варакторов и ПУ для коротковолновой части мм диапазона.

В ходе проведения данного диссертационного исследования, а также в рамках ряда важнейших НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России, координационным планам АН СССР и РАН, был разработан ряд полупроводниковых устройств мм диапазона.

В.5. Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. В условиях сохранения электрической устойчивости тонкой однородно легированной пленки п - СаА б с равновесной концентрацией дрейфующих электронов щ на зависимости верхней граничной частоты усиливаемых волн

1С пространственного заряда от щ при = (1 -г 2) • 10 см наблюдается максимум.

2. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью в условиях низкочастотной накачки приводит к увеличению верхней граничной частоты усиливаемых волн, продвигая ее в миллиметровый диапазон, обеспечивает эффективное преобразование частоты в миллиметровом диапазоне, а также эффективную фильтрацию сигналов, которая может управляться путем изменения амплитуды и частоты накачки.

3. Разработана общая теория параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в тонкопленочных полупроводниковых структурах, включая структуры с отрицательной дифференциальной проводимостью, позволяющая учитывать диффузию, анизотропию и частотную дисперсию дифференциальной подвижности носителей заряда, реальные условия на границах пленки, а также многочастотный и многомодовый характер волнового процесса.

4. Низкочастотная накачка стабилизированного сверхкритического диода Ганна приводит к параметрическому усилению электромагнитных колебаний в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

5. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока диода Ганна и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси в направлении от катода к аноду в активной области полупроводниковой структуры диода. Форма прикатодной "зарубки" полупроводниковой структуры диодов Ганна, используемых в генераторах с выходом на гармониках основной частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона, должна оптимизироваться таким образом, чтобы, с одной стороны, избежать перехода к режиму со статическим доменом у анода или катода, а, с другой стороны, чтобы обеспечить оптимальную для выбранной гармоники динамику зарядов в активной области диода.

6. Механизм генерации диодом Ганна в СВЧ и КВЧ диапазонах на частотах, соответствующих нечетным зонам неустойчивости параметрической системы, комбинированный: первоначальное уменьшение потерь в контуре генератора происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления диода Ганна, а вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возникают незатухающие колебания.

7. Приложение к полупроводнику сильного постоянного электрического поля, сильного СВЧ поля накачки с частотой /р , а также слабого СВЧ поля сигнала с частотой /5 < /р , приводит к существенной модуляции реактивной компоненты проводимости полупроводника на частоте сигнала с частотой накачки. В коротковолновой части миллиметрового диапазона модули постоянных составляющих активной и реактивной компонент проводимости полупроводника становятся величинами одного порядка и при этом реактивная компонента модулируется полем накачки на порядок сильнее, чем активная. Параметрический элемент, основанный на эффекте модуляции сильным СВЧ полем реактивной компоненты проводимости полупроводника, обусловленной инерционностью горячих носителей заряда, может использоваться для создания параметрических устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

8. Снижение контактной разности потенциалов варакторных диодов Шоттки при прочих равных условиях улучшает их динамические параметры и характеристики параметрических усилителей миллиметрового диапазона. Применение варакторов с пониженным значением ф к можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения параметрических усилителей в коротковолновую часть миллиметрового диапазона.

Диссертация является обобщением научных работ автора, выполненных на кафедре физики полупроводников и кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, а также в НИИ механики и физики при СГУ в период с 1974 по 1999 г.

Совокупность основных научных положений и результатов, выносимых на защиту, позволяет квалифицировать работу как решение крупной научной проблемы на стыке радиофизики и физики полупроводников, состоящей в разработке и развитии физических представлений и математических моделей параметрических и нелинейных колебательных и волновых процессов в полупроводниках и полупроводниковых структурах в мм и субмм диапазонах в условиях разогрева носителей заряда сильными электрическими полями и определении на этой основе путей увеличения предельных рабочих частот полупроводниковых приборов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, расширения их функциональных возможностей.

Большая часть основных результатов, полученных автором в ходе работы над диссертацией, использована при выполнении ряда важнейших НИР, проводившихся в НИИ механики и физики при СГУ по решениям Правительств СССР и России и в соответствии с координационными планами АН СССР и РАН в период с 1975 по 1996 г.

В.6. Апробация работы и публикации Основные результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на:

• II Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Харьков, 1978 г.);

• Объединенном научном семинаре кафедры физики твердого тела и кафедры радиофизики Саратовского государственного университета (1981 г.);

• Научном семинаре в Институте прикладной физики АН СССР (Горький, 1981 г.);

• 12-й научной конференции преподавателей и сотрудников Куйбышевского государственного университета (1981 г.);

• Научном семинаре в Саратовском политехническом институте (1982 г.);

• Десятой Всесоюзной научной конференции "Электроника сверхвысоких частот" (Минск, 1983 г.);

Заключительном туре конкурса научных работ молодых ученых Саратовского госуниверситета 1983 года (Рамзаевские чтения) (1983 г.); Научно-технической школе "Элементы и узлы радиоаппаратуры" на научно-техническом заседании-семинаре "Приборы с отрицательным сопротивлением в радиоэлектронных устройствах" (Москва, 1984 г.); Всесоюзном совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" (Саратов, 1985 г.); Научно-технической школе специалистов "Приборы с отрицательным сопротивлением и их применение в радиоэлектронике" (Москва, 1986 г.); Шестом Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия (Томск, 1987 г.);

II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988 г.);

III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991 г.);

Всесоюзном совещании "Электроника: преобразователи информации" (Москва - Нижний Новгород, 1991 г.);

Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои, 1991 г.);

Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 г.);

Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Саратов, 1996 г.);

• Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997 г.);

• III Международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства. Системы и средства радиосвязи" (Воронеж, 1997 г.);

• Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98" (Саратов, 1998 г.);

• Научной конференции Ульяновского государственного университета "Математическое моделирование физических, экономических социальных систем и процессов" (Ульяновск, 1998 г.);

• VI Международной научно-технической конференции "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1999 г.);

• Научных семинарах кафедры физики полупроводников Саратовского государственного университета.

По материалам исследований опубликовано около 70 научных работ, в числе которых 23 статьи, 4 доклада, 9 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств на полезную модель РФ, одно учебное пособие, содержащее оригинальные результаты, полученные автором. Ссылки на 62 основные опубликованные работы содержатся в списке литературы [45,106,110-114,125130,132,134-142,148,150-154,159-161,174,177,178,180, 202-211,227-229,231 -237,241,242,245,251,269,270].

Результаты диссертации использованы в разработанных и читаемых автором курсах лекций "Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов", "Физика твердотельных параметрических приборов СВЧ", "Математическое моделирование физических и технологических процессов твердотельной электроники", "Полупроводниковая волновая электроника", а также при постановке и модернизации лабораторных работ "Диод Ганна", "Детектор на термо-ЭДС горячих носителей заряда", "Диод СВЧ".

В.7. Личный вклад автора Постановка всех основных задач, являющихся предметом исследований диссертации, принадлежит автору. Кроме того, автором диссертации проводился выбор методов решения всех задач, разработка алгоритмов и программ, обоснование методик экспериментов, получение всех теоретических и экспериментальных результатов и их анализ, разработка и конструирование приборов и устройств.

Общее направление и тематика диссертационного исследования выбрана автором во многом благодаря поддержке и под влиянием научных идей Заслуженного деятеля науки Российской федерации, чл.-корр. РАЕН, доктора технических наук, профессора Климова Бориса Николаевича и доктора физико-математических наук Иванченко Владимира Афанасьевича.

Автор особо признателен профессору Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета доктору физико-математических наук Барыбину Анатолию Андреевичу за содержательные и плодотворные научные стажировки (1989 г., 1993 г., 1994 г., 1997 г.). Полезные научные консультации, дискуссии и творческое сотрудничество с профессором Барыбиным A.A. имели большое значение для успеха исследований, проведенных в период с 1985 г. по 1999 г.

В.8. Структура диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, пяти приложений и списка литературы, включающего 62 ссылки на основные публикации автора по теме диссертации.

6.4. Выводы

1. Проведено теоретическое исследование влияния контактной разности потенциалов варакторов с барьером Шоттки на их динамические параметры. Показано, что варакторы с низкими значениями ф^ при прочих равных статических параметрах имеют большие значения т и . Мощность накачки варакторов с фд. = 0,2 -т- 0,4 В в 4 - 5 раз меньше, чем для варакторов с фк = 0,8 ^ 1 В. Указанные различия объясняются тем, что у варакторов с меньшими фк при обратных напряжениях до -1 В зависимость емкости от напряжения является более резкой, а при обратных напряжениях выше -1 В значения постоянной составляющей емкости варактора, находящегося под воздействием накачки, в 1,5 - 2 раза меньше.

2. Разработаны алгоритм и программы для расчета динамических параметров варакторов с барьером Шоттки по заданным величинам С(0),^/, ф^и /р в режимах накачки гармоническим током и гармоническим напряжением. Алгоритм и программа могут быть применены для анализа более сложных негармонических режимов накачки.

314

3. Разработаны двухконтурные параметрические усилители 4-мм и 6-мм диапазонов. Лучшие характеристики разработанных усилителей обеспечивались при использовании в качестве варакторов сотовых структур с барьером Шоттки на GaAs с С(0) = 0,025 пФ, R¡ = 12 + 15 Ом и срх = 0,55 -н 0,7 В. Эксперименты показали, что снижение фк позволяет получать более высокий коэффициент усиления ДПУ при меньших уровнях мощности накачки. То есть применение варакторов с пониженным значением ф^. можно рассматривать как один из перспективных путей продвижения ПУ в коротковолновую часть мм диапазона. Создание четко выделенного холостого контура и переход к накачке гармоническим током в ДПУ 6-мм диапазона обеспечили ему высокие коэффициенты усиления и низкие коэффициенты шума, а также снижение мощности накачки по сравнению с проходным ДПУ 4-мм диапазона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования диссертации позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Повышение концентрации электронов в однородно легированной пленке п - ОаА 5 с толщиной до значений щ - (1 -ь 2) • 1015 см"3 при выполнении

14 2 условия Щ-(1=2Л0 м", обеспечивающего предотвращение формирования доменов сильного поля, приводит к увеличению граничной частоты /с усиливаемых ВПЗ при их распространении в дрейфовом потоке электронов. При 15 з

0 — (1 2) • 10 см" на зависимости /с от щ наблюдается максимум; дальнейшее увеличение щ приводит к уменьшению /с , что связано со снижением дрейфовой скорости электронов и модуля их отрицательной дифференциальной подвижности вследствие интенсификации рассеяния на ионизированных примесях.

2. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в дрейфовом потоке носителей в полупроводниках и ТПС с ОДП в условиях низкочастотной накачки приводит к увеличению верхней граничной частоты усиливаемых волн, продвигая ее в мм диапазон, обеспечивает эффективное преобразование частоты в мм диапазоне, а также эффективную фильтрацию сигналов, которая может управляться путем изменения амплитуды и частоты накачки. Для получения параметрического усиления ВПЗ с частотой в полупроводнике с ОДП при низкочастотной накачке (/р< /<,.) существенным является условие близости частот накачки /р и холостой fi — - /р, а расстройка от синхронизма по волновому вектору ( А к ) взаимодействующих волн имеет меньшее значение.

3. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС на основе п - СаАя в 3-см, 2-см и 8-мм диапазонах позволили установить, что под воздействием низкочастотной накачки в спектре прошедших сигналов появляются два диапазона (верхний и нижний) частоты которых (обозначенные как и соответственно) связаны между собой и частотой накачки /р соотношением - /} = . Это соотношение между частотами наблюдалось во всех экспериментах независимо от конкретных значений частоты накачки и ее мощности. Полученные экспериментальные результаты согласуются с выводами теоретических исследований.

4. Разработана общая теория, позволяющая анализировать параметрическое взаимодействие ВПЗ в дрейфовом потоке носителей заряда в ТПС и, в том числе, в структурах с ОДП. В основе теории лежит известная электродинамическая теория возбуждения волноводов заданными токами, обобщенная на случай тонкопленочных волноведущих структур с различными активными средами. Теория позволяет последовательно учитывать диффузию носителей заряда, частотную дисперсию и анизотропию дифференциальной подвижности носителей, реальные условия на границах полупроводниковой пленки, а также проводить рассмотрение параметрического взаимодействия ВПЗ в условиях многочастотного и многомодового характера волновых процессов.

5. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что подача на стабилизированный сверхкритический диод Ганна кроме постоянного напряжения питания и слабого КВЧ сигнала с частотой еще и сильной низкочастотной накачки с частотой < /8 благодаря параметрическому эффекту приводит к увеличению верхнего частотного предела диапазона частот, в котором диод обладает отрицательным сопротивлением. Это говорит о принципиальной возможности создания параметрических усилителей с низкочастотной накачкой на стабилизированном сверхкритическом диоде Ганна, а сам описанный режим может рассматриваться как способ усиления мощности электромагнитных колебаний мм диапазона.

6. Теоретически на основе локально-полевой и температурной моделей исследовано влияние особенностей профиля легирования активной области структуры п+ - п - п - п+ - ОаАз (гГ - прикатодная "зарубка"), используемой в диодах Ганна, на спектральный состав тока. Установлено, что для обеспечения наиболее оптимальных условий генерации на основной пролетной частоте и на частотах ее гармоник необходимо выполнение противоречивых требований к профилю. Максимальный уровень основной спектральной составляющей тока и минимальный для ее гармоник наблюдается при убывающей концентрации легирующей примеси Nд в активной области в направлении от катода к аноду. При разработке полупроводниковых структур для диодов Ганна, работающих с выделением мощности на гармониках основной частоты, форма прикатодной "зарубки", а конкретнее - ее ширина дг и "глубина" Nдг (уровень легирования в "зарубке") должны оптимизироваться. В частности, установлено, что оптимальная форма "зарубки" для диодов, используемых в генераторах с выходом на второй гармонике, должна выбираться с учетом двух следующих соображений. Во-первых, "зарубка" должна быть достаточно "глубокой" (N ^ /Ыд < 0,58 -г- 0,61) для того, чтобы обеспечить как можно больший перепад электрического поля при переходе из "зарубки" в активную область. При этом "глубина" не должна быть настолько большой (N¡у ¡Ы д > 0,44 -г- 0,47), чтобы происходил переход к режиму со статическим доменом у катода. И, во-вторых, ширина "зарубки" должна выбираться, с одной стороны, не слишком малой (IVдг ¡Ьд > 0,11 ч- 0,15, где Ьд - длина активной области), чтобы не происходил переход к режиму со статическим доменом у анода, а, с другой стороны, чтобы она составляла не более половины от длины активной области диода Ганна (точнее IV ¡^ ¡Ьд < 0,5 0,67), поскольку при большей ширине возможно совмещение по времени процесса ухода обедненной части домена в анод и процесса выхода его обогащенной части в активную область.

7. Проведено экспериментальное исследование генерации СВЧ и КВЧ колебаний диодом Ганна в нечетных зонах неустойчивости параметрической системы, теоретически проанализирована возможность такого режима в третьей зоне. Анализ результатов показал, что механизм генерации на частоте з/2 = (3/2) • /о (где /(з - основная пролетная частота генерации) комбинированный: первоначальное уменьшение потерь в контуре происходит за счет отрицательного дифференциального сопротивления диода Ганна на этой частоте, а вносимое за счет параметрического эффекта отрицательное сопротивление окончательно компенсирует потери, вследствие чего возникают незатухающие колебания. Тот факт, что частота /3/2 наблюдавшихся в эксперименте колебаний равна (3/2) • , говорит о том, что параметрический механизм является решающим в возникновении генерации.

8. Впервые исследована стимулированная генерация диодом Ганна собственной частоты колебаний при воздействии на него СВЧ сигнала от внешнего источника, частота которого никак не связана с частотой генерируемых колебаний. Поскольку мощность сигнала , генерируемого диодом Ганна, оказалась значительно выше мощности Р8 внешнего сигнала, стимулирующего эту генерацию, то наблюдаемый эффект можно условно трактовать как усиление с переносом частоты. Наиболее вероятным механизмом наблюдавшейся стимулированной генерации является изменение режима работы диода Ганна по постоянному току (детектирование) при подаче внешнего сигнала, стимулирующего генерацию.

1. Бломберген Н. Нелинейная оптика: Пер. с англ. / Под ред. С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова. М.: Мир, 1966. - 424 с.

2. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики: Пер. с англ. / Под ред. С.А. Ахманова. М.: Наука, 1989. - 560 с.

3. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. -М.: Наука, 1975.-287 с.

4. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах: Пер. с англ. / Под ред. В.Е. Боголюбова. М.: Мир, 1968. - 432 с.

5. Сухоруков А.П. Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. М.: Наука, 1988. - 232 с.

6. Нелинейные акустоэлектронные устройства и их применение /B.C. Бон-даренко, Б.Г. Бочков, B.JI. Громашевский, В.В. Соболев; Под ред. B.C. Бондаренко. М.: Радио и связь, 1985. - 160 с.

7. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны: Пер. с англ. / Под ред. А.Б. Шабата. М.: Мир, 1977. - 624 с.

8. Скотт Э. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике: Пер. с англ. / Под ред. Л.А. Островского, М.И. Рабиновича. -М.: Сов. радио, 1977. 368 с.

9. Нелинейные волны / Под ред. С. Лейбовича и А. Сибасса; Пер. с англ. под ред. A.B. Гапонова и Л.А. Островского. М.: Мир, 1977. -Гл. 7. Фил-липс О.М. Взаимодействие волн. - С. 197-220.

10. Пейн Г. Физика колебаний и волн: Пер. с англ. / Под ред. Г.В. Скроцко-го. М.: Мир, 1979.-392 с.

11. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн: Учебное пособие. М.: Наука, 1984. - 432 с.

12. Нелинейные волны. Динамика и эволюция: Сб. научн. тр. / Под ред. A.B.

13. Гапонова-Грехова и М.И. Рабиновича. М.: Наука, 1989. - 400 с.

14. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах: Механизмы возникновения, структура и свойства динамического хаоса в радиофизических системах. М.: Наука, 1990. - 312 с.

15. Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике (автоколебательные системы). М.: Сов. радио, 1973. - 320 с.

16. Нелинейные волны: Спец. вып. Горький: Изд-во Горьк. ун-та, 1976. -631-943 с. - (Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1976. - Т. 19, № 5/6).

17. Габов С.А. Введение в теорию нелинейных волн. М.: Изд-во МГУ, 1988.- 176 с.

18. Ланда П.С. Нелинейные колебания и волны. М.: Физматлит, 1997. - 495 с.

19. Кац Л.И., Сафонов A.A. Взаимодействие электромагнитных колебаний сверхвысоких частот с плазмой носителей заряда в полупроводнике: В 2-х частях. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. - Ч. 1. - 140 е.; Ч. 2. - 134 с.

20. Нелинейные электромагнитные волны: Пер. с англ. / Под ред. П. Услен-ги. М.: Мир, 1983.-312 с.

21. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. - 376 с.

22. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса. М.: Наука, 1988. - 368 с.

23. Конуэлл Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях: Пер. с англ. / Под ред. И.Б. Левинсона и Ю.К. Пожелы. М.: Мир, 1970.-384 с.

24. Денис В., Пожела Ю. Горячие электроны. Вильнюс: Минтис, 1971. -289 с.

25. Кэррол Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах / Пер. с англ. М.Е. Левинштейна, М.С. Шура; Под ред. Б.Л. Гельмонта. М.: Мир, 1972.382 с.

26. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975.-288 с.

27. Климов Б.Н. Взаимодействие горячих носителей заряда с коротковолновым СВЧ излучением. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1976. - 222 с.

28. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Пер. с англ. 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. Кн 1. - 456 с. Кн.2. - 456 с.

29. Хотунцев Ю.Л. Нелинейные задачи полупроводниковой электроники СВЧ // Нелинейные проблемы полупроводниковой электроники СВЧ: Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МГПИ им. В.И. Ленина, 1986. - С. 3-16.

30. Люиселл У. Связанные и параметрические колебания в электронике: Пер. с англ. / Под ред. А.Н. Выставкина. М.: Изд-во иностр. лит-ры,1963.-352 с.

31. Блекуэлл Л.А., Коцебу К.Л. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах: Пер. с англ. / Под ред. А.Н. Выставкина. М.: Мир,1964. -242 с.

32. Эткин B.C., Гершензон Е.М. Параметрические системы на полупроводниковых диодах. М.: Сов. радио, 1964. - 351 с.

33. Регенеративные полупроводниковые параметрические усилители: Некоторые вопросы теории и расчета / Васильев В.Н., Слободенюк Г.И., Трифонов В.И., Хотунцев Ю.Л.; Под ред. В.В. Мигулина. М.: Сов. радио,1965.-447 с.

34. Лопухин В.М., Рошаль A.C. Электроннолучевые параметрические усилители. М.: Сов. радио, 1968. - 240 с.

35. Бобров И.Н. Параметрические усилители и преобразователи СВЧ. Киев: Техника, 1969. - 240 с.

36. Филатов К.В. Введение в инженерную теорию параметрического усиления. М.: Сов. радио, 1971. - 175 с.

37. Железовский Б.Е. Электроннолучевые параметрические СВЧ-усилители. -М.: Наука, 1971. -384 с.

38. Грабовски К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом: Пер. с польск. / Под ред. М.Е. Герценштейна. М.: Сов. радио, 1974. - 304 с.

39. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователиi

40. СВЧ / B.C. Эткин, А.С. Берлин, П.П. Бобров и др.; Под ред. B.C. Эткина.- М.: Радио и связь, 1983. 304 с.

41. Van-der-Ziel A. On the mixing properties of non-linear condensers // J. Appl. Phys. 1948. -Vol. 19, № 11. - P. 999-1006.

42. Вул Б.М. О емкости переходных слоев в полупроводниках // ДАН СССР.- 1954. Т. 96, № 2. - С. 257-259.

43. Вул Б.М. О диэлектрических свойствах переходных слоев в полупроводниках // ЖТФ. 1955. - Т. 25, вып. 1. - С. 3-10.

44. Uhlir A.Jr. The potential of semiconductor diodes in high-frequency communications // Proc. IRE. 1958. - Vol. 46, № 6. - P. 1099-1115.

45. Herrmann G.F., Uenohara M., Uhlir A.Jr. Noise figure measurements on two types of variable reactance amplifiers using semiconductor diodes // Proc. IRE. 1958. - Vol. 46, № 6. - P. 1301-1303.

46. Выставкин A.H. Регенеративные полупроводниковые параметрические усилители СВЧ // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1998. - № 8. - С. 34-39.

47. Михайлов А.И. Твердотельные параметрические приборы сверхвысоких частот: Учебн. пособие / Под ред. проф. Климова Б.Н. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. - 155 с.

48. Кальвиелло Дж.А., Лиджей П.Р., Смиловиц Б. Параметрические диоды миллиметрового диапазона с малыми паразитными параметрами // ТИИЭР. 1971. - Т. 59, № 3. - С. 90-91.

49. Stover H.L., Leedy H.M., Morehead H.G. Solid-state devices and components for a 60 GHz communication system // NTC 73, Nat. Telecommun. Conf., Atlanta, Ga, 1973. New York, 1973. - Vol. 2. - P. 23A/1-23A/7.

50. Calviello J.A., Wallace J.L., Bie P.R. High performance GaAs quasi-planar varactor for millimeter waves // IEEE Trans. 1974. - Vol. ED-21, № 10. - P. 624-630.

51. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Г. Уотсо-на; Пер. с англ. под ред. B.C. Эткина. М.: Мир, 1972. - 662 с.

52. Широкополосный параметрический усилитель 8-мм диапазона волн / А.С. Берлин, Ю.А. Милицкий, И.А. Струков и др. // Радиотехника и электроника. 1973. - Т. 18, вып. 2. - С. 423-425.

53. Широкополосные параметрические усилители 8-миллиметрового диапазона волн / В.В. Корогод, Ю.А. Милицкий, И.А. Струков, B.C. Эткин // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1973. - Т. 16, № 5. - С. 688-690.

54. Григорян Ф.А., Берлин А.С. Параметрический усилитель диапазона 70 ГГц для радиоастрономической аппаратуры // Радиотехника и электроника. 1973. - Т. 18, вып. 2. - С. 426-428.

55. Okean Н.С., Asmus J.R., Steffek L.J. Low noise, 94 GHz parametric amplifier development // IEEE G-MTT Int. Microwave Symp., Boulder, Colo, 1973. -New York, 1973.-P. 78-79.

56. Исиченко В.И., Касьяненко А.П. Вырожденный параметрический усилитель восьмимиллиметрового диапазона на бескорпусных ДБШ // Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн: Сб. научн. тр. -Киев: Наук, думка, 1983. С. 261-266.

57. Корогод В.В., Берлин А.С., Струков И.А. Методы проектирования вырожденных параметрических усилителей для бортовых приемных систем // Научная аппаратура для космических исследований. М.: Наука, 1987.-С. 114-121.

58. Руденко В.М., Халяпин Д.Б., Магнушевский В.Р. Малошумящие входные цепи СВЧ приемных устройств. М.: Связь, 1971. - 279 с.

59. Шутенко М.С. Малошумящие усилители СВЧ. М.: Воениздат, 1966. -151 с.

60. Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн. М.: Радио и связь, 1989. - 168 с.

61. Гуляев Ю.В., Кравченко В.Ф., Струков И.А. Использование миллиметровых волн для диагностики поверхности и атмосферы Земли и в фундаментальных исследованиях // Радиотехника. 1995. - № 3-4. - С. 83-87.

62. Наноэлектронные СВЧ-транзисторы на основе гетероструктур соединений А3В5 с двумерным электронным газом / В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, A.B. Гук и др. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1998. - № 8. - С. 40-61.

63. Омические контакты и барьеры Шоттки на фосфиде индия, полученные вакуумным испарением различных металлов / Т.М. Зубкова, A.M. Зубков, Е.И. Фураева и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1977. - Вып. 5. - С. 25-35.

64. Кадзияма К., Саката С., Мицусима Е. Приборы с низкими барьерами Шоттки // ТИИЭР. 1974. - Т. 62, № 9. - С. 123-124.

65. Кадзияма К., Мидзусима Е. Оптимизация высоты барьера на базе согласования сопротивлений // ТИИЭР. 1978. - Т. 66, № 5. - С. 82-83.

66. Заболотская Е.А., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Параметрический усилитель ультразвука// Акуст. журн. 1966. - Т. 12, вып. 2. - С. 188-191.

67. Parametric amplification of ulyrasonic waves in CdS / Zemon S., Zucker J., Wasko J.H. et al. // Appl. Phys. Lett. 1968. - Vol. 12, № 11. - P. 378-380.

68. Gulayev Yu.V., Zilberman P.E. On the theory of parametric amplification of ultrasonic waves in semiconductor // Phys. Lett. 1969. - Vol. 30A, № 7. - P. 378-379.

69. Заболотская Е.А., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Ультразвуковой комбинированный усилитель на сульфиде кадмия // Акуст. журн. 1966. - Т. 12, вып. 4. - С. 435-442.

70. Левин В.М., Пустовойт В.И. О нелинейном взаимодействии квазиколли-неарных акустических волн в пьезополупроводниках // ФТТ. 1976. - Т. 18, вып. 10. - С. 3023-3027.

71. Кейс В.Н. Параметрическое усиление электромагнитных волн в среде с кубичной нелинейностью // Изв. ЛЭТИ. 1975. - Вып. 161.-С. 12-15.

72. Параметрическое и нелинейное взаимодействие электромагнитных волн в параэлектриках / Л.Г. Гассанов, С.В. Кошевая, Т.Н. Нарытник, М.Ю. Омельяненко // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1978. - Т. 21, № 10. - С. 56-63.

73. Островский Л.А., Яхно В.Г. О взаимодействии волн в полупроводниках с непараболичной зоной проводимости // ФТТ. 1973. - Т. 15, вып. 2. - С. 427-433.

74. Кац Л.И., Сафонов A.A. Эффект усиления электромагнитных колебаний субмиллиметрового диапазона при параметрическом взаимодействии волн в плазме полупроводника с горячими носителями // Радиотехника и электроника. 1979. - Т. 24, вып. 4. - С. 820-822.

75. Назаров A.B., Гуревич А.Г. Параметрическое возбуждение спиновых волн в одноосных ферритах // ЖТФ. 1998. - Т. 68, вып. 5. - С. 65-71.

76. Попков А.Ф., Фетисов Ю.К., Островский Н.В. Параметрическое взаимодействие объемных магнитостатических волн в пленке феррита с пространственно-временной модуляцией магнитного поля // ЖТФ. 1998. -Т. 68, вып. 5.-С. 105-112.

77. Комиссарова М.В, Сухоруков А.П., Терешков В.А. О параметрическом усилении бегущих волн с кратными частотами // Изв. РАН. Сер. физ. -1997. Т. 61, № 12. - С. 2298-2302.

78. Сухоруков A.A. К теории параметрически связанных солитонов с учетом дисперсии высших порядков // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. - Т. 61, № 12. -С. 2348-2352.

79. Поляков С.В., Сухоруков А.П. Медленные и неподвижные параметрические солитоны в периодически неоднородных средах // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. - Т. 61, № 12. - С. 2353-2358.

80. Барыбин A.A. Волны в тонкопленочных полупроводниковых структурах с горячими электронами. М.: Наука, 1986. - 288 с.

81. Перспективы интегральной электроники СВЧ / A.A. Барыбин, И.Б. Вен-дик, О.Г. Вендик и др. // Микроэлектроника. 1979. - Т. 8, вып. 1. - С. 319.

82. Красильник З.Ф., Рабинович М.И. Генерация параметрически связанных волн в ганновских полупроводниках // ФТП. 1975. - Т. 9, вып. 1. - С. 113-115.

83. Шур М.С. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 632 с.

84. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М.Хауэса, Д.Моргана; Пер. с англ. под ред. В.С.Эткина. М.: Мир, 1979. - 444 с.

85. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1982.- 112 с.

86. Состояние и основные проблемы разработки генераторов миллиметрового диапазона на диодах Ганна (обзор) / H.A. Васильев, B.C. Лукаш, В.В. Муравьев, В.И. Шалатонин // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1985. - Т. 28, № 10. - С. 42-50.

87. Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

88. Косов A.C., Еленский В.Г. Генераторы гармоник миллиметрового диапазона на основе диодов Ганна // Зарубежная радиоэлектроника. 1987.2. С. 54-65.

89. Косов A.C., Струков И.А. Эквивалентные параметры диода Ганна в двухчастотном режиме // Радиотехника и электроника. 1978. - Т. 23, вып. 10.-С. 2208-2211.

90. Стил М., Вюраль Б. Взаимодействие волн в плазме твердого тела / Пер. с англ. И.С. Веселовского. М.: Атомиздат, 1973. - 248 с.

91. Платцман Ф., Вольф П. Волны и взаимодействия в плазме твердого тела / Пер. с англ. Е.З. Мейлихова; Под ред. В.Г. Скобова. М.: Мир, 1975. -436 с.

92. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. -М.: Наука, 1977. 368 с.

93. Владимиров В.В., Волков А.Ф., Мейлихов Е.З. Плазма полупроводников. М.: Атомиздат, 1979. - 256 с.

94. Балодис Ю.Н., Лутовинов С.И. Устройства функциональной электроники. Ч. 1. Акустоэлектронные устройства. Л.: ЛИЭС, 1988. - 63 с.

95. Хорунжий В.А., Долбня Е.В., Богатов П.Н. Акустоэлектроника. Киев: Техника, 1984. - 152 с.

96. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.: Сов. радио, 1980. -264 с.

97. Семенов Э.А., Посадский В.Н. Развитие СВЧ-техники объемных и поверхностных акустических волн // Радиотехника. 1999. - № 4. - С. 8185.

98. Прохоров Э.Д., Белецкий H.H. Полупроводниковые материалы для приборов с междолинным переносом электронов. Харьков: Вища школа, 1982.- 144 с.

99. Travelling-wave amplifier using epitaxial GaAs layer / R.H. Dean, A.B. Dreeben, J.F. Kaminski, A. Triano // Electron. Lett. 1970. - Vol. 6, № 24.1. P. 775-776.

100. Дин P., Матарезе P. Новый тип СВЧ-транзистора усилитель бегущей волны на n-GaAs // ТИИЭР. - 1972. - Т. 60, № 12. - С. 23-43.

101. Барыбин A.A., Пригоровский В.М. Волны в тонких слоях полупроводников с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Физика. 1981. - Т. 24, вып. 8. - С. 28-41.

102. Rees H.D. Hot electron effects at microwave frequencies in GaAs 11 Solid State Com. 1969. - Vol. 7, № 2. - P. 267-269.

103. Белоусов Н.П., Мартыненко Е.И., Чайка B.E. О верхнем частотном пределе эффекта Ганна в n-GaAs в режиме малого сигнала // Радиотехника и электроника. 1982. - Т. 27, вып. 1. - С. 186-187.

104. Белоусов Н. П., Чайка В. Е. Частотная зависимость отрицательной проводимости InP в режиме малого сигнала // Укр. физ. журн. 1984. - Т. 29, вып. 4. - С. 627-628.

105. Стариков Е., Шикторов П. Исследование спектра дифференциальной подвижности методом Монте-Карло // Лит. физ. сб. 1992 - Т. 32, № 4. -С. 471-519.

106. Кайно В., Робсон П. Ганновские приборы уменьшенных поперечных размеров // ТИИЭР. 1968. - Т. 56, № 11. - С. 231-232.

107. Кумабе К., Кояма Д. Двумерный анализ волн пространственного заряда в усилителе бегущей волны на кристалле арсенида галлия // Дэнси цусин гаккай ромбунси. 1974. - Т. 57, № 6. - С. 179-186.

108. Fawcett W., Rees H.D. Calculation of the hot electron diffusion rate for GaAs // Phys. Lett. 1969. - Vol. 29A, № 10. - P. 578-579.

109. Dean R.H., Robinson B.B. Space-charge waves in partially depleted negative-mobility media // IEEE Trans. 1974. - Vol. ED-21, № 1. - P. 61-69.

110. Kumabe K., Kanbe H. GaAs travelling-wave amplifier // Int. J. Electronics. -1985. Vol. 58, № 4. - P. 587-611.

111. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - Вып. 4. - С. 75-76.

112. Михайлов А.И. Влияние частотной дисперсии отрицательной дифференциальной подвижности электронов на усиление волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах арсенида галлия и фосфида индия // Письма в ЖТФ. 1995. - Т. 21, вып. 21. - С. 89-95.

113. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние концентрации электронов в пленке арсенида галлия на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25, вып. 4. - С. 85-90.

114. Барыбин А.А. Влияние многослойной диэлектрической среды на дисперсионные свойства тонких полупроводниковых пленок // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1977. - Т. 20, № 9. - С. 118-120.

115. Диффузия горячих электронов / В. Барейкис, А. Матуленис, Ю. Пожела и др.; Под ред. Ю. Пожелы. Вильнюс: Мокслас, 1982. - 212 с.

116. Brennan К., Hess К. High field transport in GaAs, InP and InAs II Sol. St. El.- 1984. Vol. 27, № 4. - P. 347-357.

117. Masselink W.T., Kuech T.F. Velocity-Field Characteristics of Electrons in Doped GaAs II J. Electronic Materials. 1989. - Vol. 18, № 5. - P. 579-584.

118. Kliefoth K., Petzel B. Velocity-Field Characteristics of GaAs Gunn Diodes with Different Impurity Concentration // Phys. stat. sol. (a). 1977. - Vol. 42, № 2. - P. K133-K135.

119. Gunn J.B. Microwave oscillations of current in III V semiconductors // Solid St. Commun. - 1963. - Vol. 1, № 4. - P. 88-91.

120. Gunn J.B. Instabilities of current in III V semiconductors // IBM Journ. Res. Dev. - 1964 - Vol. 8, № 2. - P. 141-159.

121. Wandinger L. Mm-wave InP Gunn devices: status and trends // Microwave J.- 1981. Vol. 24, № 3. - P. 71, 75-78.

122. Бородовский П.А., Осадчий B.M. Междолинный перенос электронов в3 5полупроводниках А В . Новосибирск, 1987. - 171 с.

123. Eddison I.G., Davies I. Indium phosphide transferred electron oscillators for millimetre-wave frequencies // Radio and Electron. Eng. 1982 - Vol. 52, № 11-12.-P. 529-533.

124. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре одиночным полосковым барьером Шоттки // ЖТФ. 1999. - Т. 69, вып. 1. -С. 128-130.

125. Михайлов А.И. Динамические параметры варакторных диодов Шоттки с малым значением высоты потенциального барьера // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1981. - Вып. 6 (330). - С. 28-30.

126. Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Усиление высокочастотных волн в полупроводниках с ОДП // ФТП. 1978. - Т. 12, вып. 3. - С. 601-603

127. Федорченко A.M. Об одном эффективном методе генерации разностной частоты при помощи нелинейной среды // Радиотехника и электроника. -1966. Т. 11, вып. 4. - С. 693-698.

128. Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие высокочастотных волн в n-GaAs II ФТП. 1979. - Т. 13, вып. 6. -С. 1172-1174.

129. Тьен П.К. Параметрическое усиление и преобразование частот в системах с бегущими волнами // Радиотехника и электроника за рубежом. -1959.-№3.-С. 62-80.

130. Игнатьев Ю.М., Михайлов А.И. Параметрическое усиление волн пространственного заряда в полупроводнике с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1990. - Т. 33, № 10. - С. 76-78.

131. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1995. - Т. 38, № 10. - С. 43-51.

132. Михайлов А.И. Экспериментальное исследование параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе арсенида галлия // Письма в ЖТФ. 2000. - Т. 26, вып. 5. - С. 80-85.

133. Любченко В.Е., Макеева Г.С., Нефедов Е.И. Активные устройства СВЧ-диапазона с распределенными параметрами (обзор) // Радиотехника и электроника. 1982. - Т. 27, вып. 9. - С. 1665-1682.

134. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. М.: Связь, 1976. - 150 с.

135. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. -М.: Сов. радио, 1976. 216 с.

136. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука, 1986. - 256 с.

137. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Г.И. Веселов, E.H. Егоров, Ю.Н. Алехин и др.; Под ред. Г.И. Веселова. М.: Высшая школа, 1988. - 280 с.

138. Патент 2081482 РФ, МКИ Н 01 Р 5/107. Волноводно-копланарный переход / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев (РФ). № 94022119/09; Заявлено 16.06.94.; Опубл. 10.06.97., Бюл. № 16.

139. Михайлов Н.И., Левицкий A.A., Михайлов A.B. Влияние обратной связи на амплитудно-частотные характеристики полупроводникового усилителя бегущей волны // Изв. ЛЭТИ. 1986. - Вып. 375. - С. 64-69.

140. Свидетельство на полезную модель 9351 РФ, МКИ 6 Н 03D 7/00. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). № 98117279; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 16.02.99., Бюл. № 2.

141. Фильтрация сигналов в устройствах на волнах пространственного заряда в полупроводниках / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, A.A. Горячев, И.В. Митин // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7 , № 3. - С. 101102.

142. Патент 2138116 РФ, МКИ Н 03 D 7/00, 7/12, Н 01 L 27/095. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). № 98116381/09; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 20.09.99., Бюл. №26.

143. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981.-264 с.

144. Barybin A. A. Quasistatic solution of normal mode problem in semiconductor films without magnetic field // J. Appl. Phys. 1975. - Vol. 46, № 4. - P. 1697-1706.

145. Гуревич Г.Jl., Коган А.Л. Нелинейные эффекты в усилительных диодах Ганна//ФТП. 1978. -Т. 12, вып. 8. - С. 1518-1523.

146. Гуревич Г.Л., Коган А.Л., Коробков Г.М. Характеристики распределенного смесителя СВЧ-диапазона, использующего волны пространственного заряда в тонких полупроводниковых пленках // Радиотехника и электроника. 1984. - Т. 29, вып. 2. - С. 333-340.

147. Барыбин А.А., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // ЖТФ. 2000. - Т. 70, вып. 2. - С. 48-52.

148. Барыбин А.А., Михайлов А.И., Клецов А.А. Коэффициенты связи волн пространственного заряда при их параметрическом взаимодействии в тонкопленочных структурах арсенида галлия // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7 , № 2. - С. 88.

149. Barybin A. A. On the generalized theory of normal mode excitation in electromagnetic and polarized medium waveguides by external sources // J. Appl. Phys. 1975. - Vol. 46, № 4. - P. 1707-1720.

150. Вайнштейн JI. А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. -440 с.

151. Barybin A. A. Modal expansions and orthogonal complements in the theory of complex media waveguide exitation by exernal sources for isotropic, anisotropic and bianisotropic media // Progress in Electromagnetics Research

152. Ed. J. A. Kong. Cambridge, 1998. - P. 241-300.

153. Барыбин A.A., Степанова М.Г. Перенос мощности и энергетическая нормировка волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Изв. ЛЭТИ. 1991. - Вып. 437. - С. 61-64.

154. Барыбин A.A. Энергетические характеристики волн носителей в невырожденной полупроводниковой плазме // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1978.-Т. 21, № 10.-С. 45-55.

155. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям / Пер. с нем. C.B. Фомина. 5-е изд., стереотип. - М.: Наука, 1976. - 576 с.

156. Кальфа A.A., Пореш С.Б., Тагер A.C. Эффект Ганна на высоких частотах // Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. Вып.4. -М.: ЦНИИ "Электроника", 1984. - 34 с.

157. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 640 с.

158. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М.: Наука, 1972. - 415 с.

159. Пореш С.Б., Тагер A.C., Кальфа A.A. Математическое моделирование и анализ на ЭВМ высокочастотных характеристик диодов Ганна // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1976. - Вып. 10. - С. 19-31.

160. Чайка В.Е. О сравнении двухтемпературной и однотемпературной моделей диода Ганна // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. -1979. Вып. 1.-С. 99-100.

161. Голант Е.И., Кальфа A.A., Пореш С.Б., Тагер A.C. Моделирование на

162. ЭВМ диодов Ганна миллиметрового диапазона длин волн // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. -1981. Вып.7. - С. 23-28.

163. Параметрическое усиление СВЧ-колебаний в стабилизированном сверхкритическом диоде Ганна / А.А. Бушков, В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1981. -Вып. 7(331).-С. 49-50.

164. Коуплэнд Дж. А. Генератор с большим КПД, работающий в режиме ОНОЗ // ТИИЭР. 1969. - Т. 57, № 10. - С. 91-93.

165. Кальфа А.А., Пореш С.Б., Тагер А.С. Об эквивалентной схеме стабилизированных диодов на междолинном электронном переносе // Радиотехника и электроника. 1977. - Т. 22, вып. 12. - С. 2599-2603.

166. А. с. 1154730 СССР, МКИ Н 03 F 3/10. Способ усиления мощности СВЧ-колебаний / В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов (СССР). № 3491447; Заявлено 14.09.82.; Опубл. 07.05.85., Бюл. № 17.

167. Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие СВЧ-колебаний в диоде Ганна // ФТП. 1980. - Т. 14, вып. 6. -С. 1238-1240.

168. Калинин В.И., Герштейн Г.М. Введение в радиофизику / Под ред. В.И. Калинина. М.: Гос. изд-во техн.-теоретич. лит., 1957. - 660 с.

169. Михайлов А.И. Усовершенствованный вариант однотемпературной модели эффекта Ганна в арсениде галлия // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1999.-Т. 42, № 10.-С. 46-50.

170. Curtice W.R., Purcell J.J. Analysis of the LSA Mode Including Effects of Space Charge and Intervalley Transfer Time // IEEE Trans. 1970. - Vol. ED17, № 12.-P. 1048-1060.

171. Чайка B.E. О работе диодов Ганна в пролетном режиме при различных типах контактов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. -1976.-Вып.6.-С. 51-60.

172. Kroemer Н. Hot-electron relaxation effects in devices // Solid-St. Electronics. 1978.-Vol. 21, № 1.-P. 61-67.

173. Левинштейн M.E. Новые результаты в исследовании междолинного перехода горячих электронов (Обзор) // ФТП. 1979. - Т. 13, вып.7. - С. 1249-1268.

174. Исследование взаимодействия излучения миллиметрового диапазона с полупроводниковой Gcb4s-cTpyKTypofi / С.В. Плаксин, Л.М. Погорелая, В.Н. Привалов, И.И. Соколовский // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1988. - Вып. 8. - С. 31-32.

175. Pozela J., Reklaitis A. Diffusion coefficient of hot electrons in GaAs 11 Solid St. Comm. 1978. - Vol. 27, № 11. - P. 1073-1077.

176. Heinle W. Displaced Maxwellian calculation of transport in n-type GaAs II Phys. Rev. 1969. - Vol. 178, № 3. - P. 1319-1325.

177. Glover H.H. Study of electron energy relaxation times in GaAs and InP 11 J. Appl. Phys. 1973. - Vol. 44, № 3. - P. 1295-1301.

178. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М: Наука, 1977. - 672 с.

179. Гружинскис В., Миколайтис Г., Реклайтис А. Эффект Ганна в субмикронных GaAs диодах // Лит. физ. сб. 1988. - Т. 28, № 4. - С. 478-481.

180. Косов А.С., Струков И.А., Гоняев Г.С. Двухчастотные генераторы Ганна- новый класс полупроводниковых устройств СВЧ-диапазона // Научная аппаратура для космических исследований. М.: Наука, 1987. - С. 105113.

181. Rydberg A. Theoretical and experimental investigation of millimeter-wave TED's in cross-waveguide oscillators // Int. J. of Infrared and Millimeter Wawes. 1985. - Vol. 6, № 7. - P. 635-647.

182. Наливайко Б.А., Божков В.Г., Неудахин В.И. Диоды Ганна для твердотельных перестраиваемых генераторов // Электронная промышленность.- 1991.-№7.-С. 58-67.

183. Theoretical contribution to the design of millimeter-wave TEO's / M.-R. Friscourt, P.-A. Rolland, A. Cappy et. al. // IEEE Trans. 1983. - Vol. ED-30, № 3. - P. 223-229.

184. Приконтактный разогрев электронов и динамика доменов в коротких диодах Ганна / А.А. Кальфа, С.Н. Коноплянников, С.Б. Пореш, А.С. Та-гер // ФТП. 1981. - Т. 15, вып. 7. - С. 1359-1362.

185. Аркуша Ю.В., Попов A.M., Прохоров Э.Д. Оптимальные профили легирования диодов Ганна мм-диапазона при 300 и 500 К // Радиотехника и электроника. 1990. - Т. 35, вып. 7. - С. 1552-1553.

186. Ondria J., Ross R.L. Profile tailoring of MMW devices for improved fundamental and second harmonic oscillators // SBMO Int. Symp. Proc., Rio de Janeiro, July 27-30, 1987; Gathering World Though Microwaves. -Vol. 1. -Sao Paulo, 1987.-P. 173-178.

187. Зубович H.A., Цвирко Ю.А. Характеристики диода Ганна в режиме генерации второй гармоники // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1990. -Вып. 1.- С. 31-35.

188. W-band GaAs Gunn diodes with high output power / J.M. Szubert, J. Barstow, R.B. Beall, J.J. Harris // Sol.-State Electronics. 1990. - Vol. 33, №8. P. 1035-1037.

189. Михайлов А.И., Панфилов В.Б. Спектр тока диода Ганна с линейно изменяющейся концентрацией примеси в активном слое // Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом: Труды 3 Всесоюз. школы-семинара. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 1991. - С. 132.

190. Михайлов А.И., Панфилов В.Б. Влияние профиля легирования активной области диода Ганна на форму тока и амплитуды его гармонических составляющих // Изв.ВУЗов. Радиоэлектроника. 1992. - Т. 35, № 1. - С. 7680.

191. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния напряжения питания на основную частоту колебаний генераторов Ганна в пролетном режиме // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7 , № 2. - С. 143.

192. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Связь динамики домена с формой прика-тодной "зарубки" диода Ганна // Письма в ЖТФ. 1998. - Т. 24, вып. 21. -С. 16-22.

193. Михайлов А.И., Лернер Д.М. Сравнительный анализ динамики зарядов в структурах диодов Ганна на n-GaAs и n-InP // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7 , № 2. - С. 99.

194. Carroll J.E. Resonant-circuit operation of Gunn diodes: a self-pumped parametric oscillator // Electron. Lett. 1966. - Vol. 2, № 6. - P. 215-216.

195. Copeland J.A. CW operation of LSA oscillator diodes 44 to 88 GHz // The Bell System Technical J. - 1967. - Vol. 46, № 1. - P. 284-287.

196. Frey W., Pollmann H., Engelmann R.W.H., Bosch B.G. Influence of second-harmonic frequency termination on Gunn-oscillator performance // Electron. Lett. 1969. - Vol. 5, № 26. - P. 691-693.

197. Рейнольде Дж. Ф., Берсон Б.Е., Энстром Р.Е. Генераторы с высоким КПД, основанные на переносе электронов // ТИИЭР. 1969. - Т. 57, № 10.-С. 119-120.

198. Трофтон П. Исследование резонансной системы для диодов Ганна с независимой настройкой по основной частоте и второй гармонике //

199. ТИИЭР. 1970. - Т. 58, № 8. - С. 148-149.

200. Йеппссон Б., Иеппесен П. ОНОЗ-генератор релаксационных колебаний большой мощности // ТИИЭР. 1969. - Т. 57, № 7. - С. 111-113.

201. Ruttan T.G. High-frequency Gunn oscillators // IEEE Trans. 1974. - Vol. MTT-22, № 2. - P. 142-144.

202. Ruttan T.G. Gunn-diode oscillator at 95 GHz // Electron. Lett. 1975. - Vol. 11, № 14. -P. 293-294.

203. Косов A.C., Струков И.А. Экспериментальное исследование возможности выделения мощности 2-й гармоники в генераторах Ганна // 2 Всесо-юз. симп. по миллиметровым и субмиллиметровым волнам: Тез. докл. -Харьков, 1978. Т. 2. - С. 8-9.

204. Генерация СВЧ-колебаний на второй гармонике резонатора / Э.Д. Прохоров, Н.Е. Полянский, Н.И. Белецкий, А.А. Дрогаченко // Радиотехника и электроника. -1979. Т. 24, вып. 6. - С. 1232-1234.

205. Косов А.С., Попов В.И., Струков И.А. Исследование возможности расширения частотного диапазона генераторов Ганна при помощи бигармо-нического режима // Радиотехника и электроника. 1980. - Т. 25, вып. 10. -С. 2127-2135.

206. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь, 1972. - 328 с.

207. Carroll J.E. Mechanisms in Gunn effect microwave oscillators // The Radio and Electronic Eng. 1967. - Vol. 34, № i. p. 17.30.

208. Eddison I.G., Brookbanks D.M. Operating modes of millimetre wave transferred electron oscillators // Electron. Lett. 1981. - Vol. 17, № 3. - P. 112-113.

209. Essen H. Investigations on the operatig modes of millimetre wave Gunn-oscillators // Microwave J. 1982. - Vol. 25, № 9. p. 150-152.

210. Исследование диодов Ганна из арсенида галлия в коротковолновой части миллиметрового диапазона / В.В. Аверин, Б.Ф. Горбик, С.Б. Пореш, А.С. Тагер // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1983. - Вып. 6.- С. 24-28.

211. А. с. 1319232 СССР, МКИ Н 03 В 7/14. Генератор второй гармоники / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, В.А. Иванченко, С.Г. Калинин (СССР). -№ 3881843; Заявлено 08.04.85.; Опубл. 23.06.87., Бюл. № 23.

212. Патент 2019902 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов, С.Г. Калинин (РФ). №4948294; Заявлено 26.06.91.; Опубл. 15.09.94., Бюл. № 17.

213. Свидетельство на полезную модель 5304 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов (РФ). № 96117340; Заявлено 26.08.96.; Опубл. 16.10.97., Бюл. № 10.

214. Свидетельство на полезную модель 11942 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, К.А. Разумихин (РФ).-№ 99112087/20; Заявлено 08.06.99.; Опубл. 16.11.99., Бюл. № И.

215. Свидетельство на полезную молель 3846 РФ, МКИ Н 03 В 7/14. Генераторный сверхвысокочастотный диод / В.А. Двинских, А.И. Михайлов, Б.Н. Климов, С.Г. Калинин (РФ). № 95110895; Заявлено 04.07.95.; Опубл. 16.03.97., Бюл. № 3.

216. Двинских В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Генератор второй гармоники / Сарат. межотраслевой территориальный ЦНТИ. Саратов, 1995. - 2 с. (Информ. листок № 113-95).

217. Hay dl W.H. Harmonie operation of GaAs millimetrewave transferred electron oscillators // Electron. Lett. 1981. - Vol. 17, № 22. - P. 825-826.

218. Haydl W.H. Fundamental and harmonic operation of millimeter-wave Gunn diodes // IEEE Trans. 1983. - Vol. MTT-31, № 11. - P. 879-889.

219. Arora R.S., Sarma N.V.G. Experimental investigation of millimeter wave Gunn oscillator circuits in circular waveguides // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1985. - Vol. 6, № 10. - P. 951-971.

220. Двинских В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Сверхвысокочастотный диод / Сарат. межотраслевой территориальный ЦНТИ. Саратов, 1995. - 2 с. (Информ. листок № 112-95).

221. Михайлов А.И., Двинских В.А., Лернер Д.М. Связь коаксиальных резонаторов через кольцевую полупроводниковую структуру // Электродинам. и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7 , № 2. - С. 176.

222. Licea I. Electron temperature in polar semiconductors // Phys. Stat. Sol.1968. Vol. 25, № 1. - P. 461-471.

223. Gibson A.F., Granville J.W., Paige E.G.S. A study of energy-loss processes in germanium at high electric fields using microwave techniques // J. Phys. Chem. Sol. 1961. - Vol. 19, № 3/4. - P. 198-217.

224. Климов Б.Н., Иванченко B.A., Михайлов А.И. Частотная зависимость эффективной температуры в п — InSb, п — GaA s и p-Ge IIФТП. -1978. T. 12, вып. 1. - С. 204-206.

225. Kane Е.О. Band structure of indium antimonide // J. Phys. Chem. Sol. 1957. -Vol. 1, № 4. - P. 249-261.

226. Подвижность электронов в чистом п — InSb в диапазоне температур 20 -77 К / Е.М. Гершензон, И.Н. Куриленко, Л.Б. Литвак-Горская, Р.И. Рабинович // ФТП. 1973. - Т. 7, вып. 8. - С. 1501-1506.

227. Смит Р. Полупроводники: Пер. с англ. / Под ред. и с предисл. В.П. Жузе. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. - 467 с.

228. Lawaetz P. Low-field mobility and galvanomagnetic properties of holes in germanium with phonon scattering // Phys. Rev. 1968. - Vol. 174, № 3. - P. 867-880.

229. Пикус Г.Е. Рассеяние дырок в германии и кремнии // ЖТФ. 1957. - Т. 25, вып. 7. -С. 1606-1609.

230. Модуляция диэлектрической проницаемости полупроводника сильным СВЧ-полем / А.А. Бушков, В.А. Иванченко, Б.Н. Климов, А.И. Михайлов // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1982. - Т. 25, № 10. - С. 95-97.

231. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНе / Пер. с англ. Б.Н. Казака; Под ред. и с доп. Б.М. Наймарка. -2-е изд., стереотип. М.: Мир, 1977. - 584 с.

232. Основы теории колебаний / В.В. Мигулин, В.И. Медведев, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин; Под ред. В.В. Мигулина. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1988.-392 с.

233. Пенин Н.А. Отрицательная емкость в полупроводниковых структурах // ФТП. 1996. - Т. 30, вып. 4. - С. 626-634.

234. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. Основы теории. М.: Изд-во МГУ, 1978. - 447 с.

235. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. М.: Наука, 1985. - 320 с.

236. Лихарев К.К., Мигулин В.В. Приемники миллиметрового диапазона на основе эффекта Джозефсона (обзор) // Радиотехника и электроника. -1980. Т. 25, вып. 6. - С. 1121-1142.

237. Свойства одночастотного усилителя с самонакачкой на джозефсонов-ском контакте / Л.С. Кузьмин, К.К. Лихарев, В.Н. Радзиховский и др. // Радиотехника и электроника. 1977. - Т. 22, вып. 6. - С. 1306-1309.

238. Одночастотное параметрическое усиление в 3-см диапазоне с самонакачкой на джозефсоновском контакте / А.Н. Выставкин, В.Н. Губанков, Л.С. Кузьмин и др. // Радиотехника и электроника. 1977. - Т. 22, вып. 7. -С. 1530-1533.

239. Клич С.М. О сравнительной стабильности усиления двухконтурного и одноконтурного параметрических усилителей // Радиотехника и электроника. 1967. - Т. 12, вып. 12. - С. 2240-2242.

240. Клич С.М., Прокофьев В.Д. Параметрический усилитель 8-мм диапазона в двухконтурном и одноконтурном режимах работы // Радиотехника и электроника. 1967. - Т. 12, вып. 12. - С. 2243-2245.

241. A nondegenerate millimeter wave parametric amplifier with a solid-statepump source / J. Whelehan, E. Kraemer, H. Paczkowski et al. // IEEE G-MTT Int. Microwave Symp., Boulder, Colo, 1973. New York, 1973. - P. 75-77.

242. Whelehan J., Kraemer E., Paczkowski H. Millimeter-wave paramp with a solid-state pump source // Microwave J. 1973. - Vol. 16, № 11.- P. 35-38.

243. Whelehan J. Present and future capability of millimeter wave pamped paramps // 6th Eur. Microwave Conf., Microwave 76, Rome, 1976. -Sevenoaks, 1976. P. 540-544.

244. Клич C.M. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М.: Сов. радио, 1973. - 319 с.

245. Parametric amplifiers pumped at mm-wave frequencies / F.A. Bourne, E.H. Kraemer, H.C. Paczkowski et al. // Proc. Eur. Microwave Conf., Brussels,1973. Louvain, s.a. Vol. 1. - P. NA.5.3.

246. Олендский B.A., Устименко B.M. Полупроводниковые параметрические усилители СВЧ и их расчет: Учеб. пособие по проектированию. JL,1974. 70 с. (Ленингр. электротехн. ин-т связи).

247. Александров Г.А. Расчет и проектирование регенеративных параметрических усилителей. М., 1977. - 29 с. (Моск. электротехн. ин-т связи)

248. Буряк B.C. Настройка волноводно-штыревых переключающих устройств349на СВЧ диодах // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1974. -Вып. 9.-С. 31-39.

249. Мошинский А.В. Электродинамический анализ стержневого держателя для активных СВЧ-элементов в прямоугольном волноводе // Радиотехника и электроника. 1980. - Т. 25, вып. 3. - С. 487-498.

250. Сушкевич В.И. Нерегулярные линейные волноводные системы: Введение в анализ линейных цепей сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1967. -295 с.

251. Kinoshita Y., Maeda М. An 18 GHz single-tuned parametric amplifier with large gain bandwidth product // IEEE Trans. 1970. - Vol. MTT-18, № 7. - P. 409-410.

252. Kinoshita Y., Maeda M. An 18-GHz double-tuned parametric amplifier // IEEE Trans. 1970.-Vol. MTT-18, № 12.-P. 1114-1119.

253. Каневский Б.З., Корогод B.B., Струков И.А. Параметрические усилители для радиоастрономических исследований // Изв. ВУЗов. Радиофизика. -1976. Т. 19, № 10. - С. 1464-1467.

254. Мейнке X., Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник: Пер. с нем. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. Т. 1. 416 с.

255. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 359 с.