Радиоэлектрический эффект в слоистых волноводных структурах с полупроводником в СВЧ диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

1 1 МАР 1336

На правах рукописи

ТРЕЩЕВ Владимир Михайлович

РАДИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СЛОИСТЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ С ПОЛУПРОВОДНИКОМ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 1996

Работа выполнена в Самарском государственном университете на кафедре электроники твердого тела.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.Н.Комов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Д.А.Усанов; кандидат физико-математических наук, доцент В.В.Зайцев.

Ведущая организация:

институт радиотехники и электроники РАН (г.Москва).

Защита диссертации состоится ^^ ^'/¿Ьщ'), 1996 года на

заседании диссертационного совета К063.94.05 в Самарском государственном университете (443011, г.Самара, ул. академика Павлова, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан марта 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент В.А.Жукова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие науки и техники предъявляет высокие требования к измерительной технике, в частности, к электронным первичным преобразователям различного назначения. В связи с развитием космической связи и для автоматизации процессов измерения параметров СВЧ-излучения появилась необходимость в улучшении основных характеристик измерительных устройств, а именно: чувствительности, точности, инерционности, широкополосности измерения, веса и габаритов приборов, потребления ими энергии. С производственной точки зрения также важны экономия дорогостоящих материалов, применение более дешевых технологий и материалов. Существующие методы измерения параметров СВЧ-поля, по крайней мере, применяемые на практике в настоящее время, обладают принципиальными ограничениями по этим параметрам. Поэтому актуальным является разработка методов измерения одного из основных параметров СВЧ-поля - мощности, которые позволили бы увеличить чувствительность, точность, широкополосность, уменьшить инерционность измерения, а также улучшить внешние характеристики приборов.

К таким методам в настоящее время относят те, которые основаны на взаимодействии СВЧ-поля со свободными носителями полупроводниковых структур с распределенными параметрами. С научной точки зрения представляются актуальными исследования кинетических эффектов взаимодействия неоднородного СВЧ-поля с неоднородными полупроводниковыми структурами также с целью разработки методов измерения параметров аналогичных структур. Одним из перспективных направлений, имеющих как практический, так и научный интерес с вышеуказанных позиций, является исследование радиоэлектрического эффекта в полупроводнике в СВЧ-диапазоне.

При распространении в среде со свободными носителями заряда электромагнитная волна сообщает им кроме энергии импульс, что вызывает возникновение электрического поля в направлении распространения волны, называемое полем увлечения. Вторым основным механизмом возникновения продольной ЭДС является неоднородный разогрев решетки или электронов. Так как не всегда возможно экспериментально разделить эти два механизма и, исходя из общности феноменологии эффекта возникновения постоянной продольной ЭДС в проводящей среде при падении на нее СВЧ

электромагнитной волны, принято называть этот эффект радиоэлектрическим, а эффект увлечения рассматривать как одно из проявлений радиоэлектрического в конкретных экспериментальных ситуациях. К настоящему времени радиоэлектрический эффект в полупроводниках в СВЧ диапазоне исследован в следующих случаях: 1) когда полупроводниковый образец считается неискажающим поле в волноведущей системе либо не учтена специфика его искажения полупроводником; 2) когда образец пространственно однороден.

Целью настоящей работы является изучение механизмов радиоэлектрического эффекта в однородных и слоистых полупроводниках, частично заполняющих СВЧ-волновод, с учетом дифракционного искажения образцом поля в волноводе, разработка физических основ конструирования и технологии СВЧ-устройств с распределенными параметрами.

Научная новизна работы. Разработана методика расчета СВЧ-поля в трехслойной симметричной полупроводниковой структуре, частично заполняющей прямоугольный волновод, на основе методов частичных областей и поперечного сечения с учетом высших типов волн.

Впервые рассчитана радиоэлектрическая ЭДС в однослойной и трехслойной симметричной полупроводниковой структуре, ограниченной в трех координатах, с учетом истинного СВЧ-поля в частично заполненном волноводе.

Проведены измерения радиоЭДС в полупроводниковых образцах с различными видами поверхностной обработки. Степень однородности обработки поверхности контролировалась на установке по измерению поверхностного потенциала методом динамического конденсатора (КРП). Проведенное сравнение с численным результатом показало правильность выбранной модели.

Впервые проведенные экспериментальные исследования температурных зависимостей радиоЭДС в п-Бг и п- и р-1пБЪ в СВЧ-волноводах в области 100-300 К интерпретированы на основе расчета ЭДС с учетом точного распределения поля в частично заполненном волноводе.

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается сторогостью используемых математических моделей и вычислительных методов, их соответствием результатам эксперимента. Достоверность экспериментальных результатов гарантирована применением современной стандартной

радиоизмерительной аппаратуры.

Практическая ценность работы. На основе резработанной методики численного расчета СВЧ-поля и радиоЭДС в полупроводниковой структуре, частично заполняющей волновод, рассчитаны оптимальные параметры измерительного преобразователя для датчика проходящей мощности СВЧ с высокой чувствительностью и точностью измерений. Разработана конструкция (новое техническое решение) измерителя поверхностного потенциала на поверхности плоскопараллельных образцов твердых тел с более высокой точностью по сравнению с аналогами.

Предложена методика создания полупроводниковых преобразователей для измерителей СВЧ-мощности.

В процессе выполнения работы были изготовлены измерительные полупроводниковые преобразователи СВЧ мощности (датчики) различных диапазонов. Созданные преобразователи были использованы в работах, выполняемых в ИРЭ АН СССР (Москва, 1984), КПО "Зим" (Куйбышев, 1980), ЧОЗИП (г.Чапаевск, 1982). Макет измерителя проходящей мощности был испытан на стендах предприятия п/я А1554 (г. Запорожье, 1986) и дал положительные результаты.

Установка по контролю поверхностного потенциала использована при контроле химической и плазмохимической очистки поликоровых подложек в НИИ "Экран" (г.Куйбышев, 1988).

Соответствующие акты находятся в приложении диссертационной работы.

На защиту выносятся:

1. Методика расчета поля и радиоЭДС в слоистых полупроводниковых структурах в волноводах.

2. Результаты расчетов величины радиоЭДС в слоистых полупроводниковых образцах на основе строгого электродинамического анализа характеристик волноводных неоднородностей.

3. Зависимость величины радиоЭДС в полупроводниковых образцах в СВЧ волноводах от геометрических и электрофизических параметров приповерхностных слоев.

4. Способ достижения оптимальных параметров слоистых полупроводниковых структур для датчиков СВЧ проходящей мощности с высокой чувствительностью и точностью методом подбора соотношения толщин объемных и приповерхностных слоев, их проводимостей и диэлектрических проницаемостей.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Физика

соединений А3В5" (г. Ленинград, 1978), IX Всесоюзной конференции по электронике СВЧ (г.Киев, 1979), I Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля контроля качества материалов и изделий" (г. Фергана, 1981), X Всесоюзной конференции "Электроника СВЧ" (г.Минск, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (г.Ленинград, 1984), Всесоюзном совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем" (г.Саратов, 1985), VI Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивость в полупроводиках" (г.Вильнюс, 1986), I Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (г.Харьков, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 9 статей, 2 авторских свидетельства, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 172 стр., из них 35 стр. приложений, рисунки - 42 стр., список литературы - 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы. В нем также кратко изложено содержание глав диссертации.

Первая глава диссертации посвящена обзору работ по радиоэлектрическому эффекту в полупроводниках в поле электромагнитной волны СВЧ диапазона.

В середине 70-х годов сформировалось понятие радиоэлектрического эффекта (появление постоянной ЭДС в полупроводнике, находящемся в поле электромагнитной волны), одним из механизмов которого может быть передача импульса электромагнитной волны свободными носителями заряда. Кроме того, необходимо учитывать неоднородность электромагнитного поля в среде, когда на него падает электромагнитная волна.

Из кинетики процесса взаимодействия электромагнитной волны со свободными носителями твердого тела следует, что ЭДС, возникающая в проводящей среде, связана с анизотропией функции распределения электронов. Ее возникновение может быть обусловлено силой Лоренца, т.е. динамическим действием, а также градиентом электромагнитного поля, действие которого, в частности, проявляется в неоднородном разогреве среды вдоль направления вектора Умова-Пойнтинга. На основе теоретических моделей из публикаций рассмотрено соотношение увлекающего и градиентного механизмов радиоЭДС (Кт и - соответствующие составляющие ЭДС) для таких типичных полупроводников, как п-Я/ и п-1пБЬ в случае падения плоской электромагнитной волны с учетом условий эксперимента.

Для СВЧ диапазона (3-сантиметрового и 8-миллиметрового) были проведены оценки соотношения Уг и V для п-Бг и п-1п8Ь. Используя оценки, проведенные в диссертации, показано, что V превосходит Ут при ¿<0,2 мм для а для п-1п8Ъ - при

¿<0,5мм.

Рассмотрен неоднородный разогрев свободных носителей заряда при слабом разогреве фононов. В этом случае также оценено соотношение Кт и V в диапазонах частот и температур.

В общем случае при взаимодействии электромагнитной волны с полупроводником возникает термоЭДС двоякой природы: электронной и решеточной. Интересен случай, когда теплопроводность решетки много больше теплопроводности электронов. При этом эффект увлечения должен превосходить градиентный при длине образца £=0.1 мм для п-Бг и п-1пБЬ. Таким образом, достаточно хорошим теплоотводом электронной системы можно избежать влияния термоЭДС в образцах для п-Б1 и п-1пБЬ. Как видно из численных оценок, проведенных в диссертации, чтобы реализовать эксперимент с 5/ и в котором преобладал бы эффект

увлечения над градиентным, необходимо уменьшить толщину образцов, увеличить теплоотвод с поверхности. Однако аналогичный опыт затруднительно провести, если учесть, что необходимо соблюдать однородность электромагнитного поля, что предполагалось при расчетах. Уменьшение толщины образца приводит к возникновению сильного влияния поверхности полупроводника и снижению эффективности теплоотвода через боковые грани, что наиболее важно для уменьшения разности температур между передней и задней стенками пластин.

Из обзора публикаций и численных оценок соотношения разных механизмов радиоЭДС в настоящей работе сделаны следующие выводы.

Указанное соотношение зависит как от внешних условий (величины распределения и частоты поля), так и от внутренних параметров среды (подвижность, концентрация носителей заряда, диэлектрической проницаемости, теплопроводности, теплопередачи с поверхности).

Для случая плоской электромагнитной волны ЭДС увлечения может преобладать на малых расстояниях вдоль распространения волны, но при этом ее абсолютная величина мала для обнаружения на известных полупроводниках в эксперименте, соответствующем рассмотренной модели. Интерпретация экспериментов с полупроводником в волноводе на основе модели плоской электромагнитной волны не всегда корректна, т.к. такое приближение для СВЧ-поля в волноводе можно применять при некоторых параметрах образца и волновода.

В результате исследований ЭДС в слоистых волноведущих структурах в СВЧ . диапазоне становится ясно, что понимание механизмов образования ЭДС и ее количественное определение в различных слоистых волноводных структурах с полупроводником лежат на пути более точного определения величины и распределения СВЧ-поля в них.

На современном уровне развития радиофизики и вычислительной математики теория дифракции позволяет достаточно точно определить СВЧ-поле в нерегулярных волноводах с распределенными параметрами для некоторых их видов.

Расчет слоистых волноводных структур позволит также учесть наличие различных приповерхностных слоев с отличными от объемных параметров, что, по предположению автора, должно существенно повлиять на величину и распределения поля, и радиоЭДС в полупроводниковом образце.

Вторая глава посвящена теоретическому рассмотрению вопроса нахождения СВЧ-поля и радиоЭДС в слоистых полупроводниковых структурах, частично заполняющих прямоугольный волновод.

В первом параграфе главы проводится выбор методов расчета поля в нерегулярных частично-заполненных волноводах. Рассмотрены основные положения метода поперечных сечений и метода частичных областей, сочетание которых позволяет достаточно точно и эффективно проводить электродинамический анализ СВЧ-полей в волноводах с полупроводниковыми образцами.

На основе двух указанных методов, во втором параграфе главы разработана методика расчета поля и радиоЭДС в слоистой полупроводниковой призме, находящейся в прямоугольном волноводе.

В диссертации рассматривается падение волны Я -типа на

слоистую полупроводниковую пластину, расположенную в прямоугльном волноводе параллельно его узкой стенке, с координатами вершин основания в плоскости (х,г) равными (0,с), (Ь,с), (Ь,с1) и (0,(1). Толщина приповерхностного слоя пластины • 5. Предполагаем, что падающая волна Я10-типа возбуждает волны только Я50-типа. Согласно указанным выше методам расчета поля выражение у-компоненты вектора напряженности электрического поля имеет вид:

в области г<0

<Х>

'у 2 V 2

Е (х,г)=Е е '1 .шг р х + £ А е * 5/л р л:,

1 О 1 к=1 к Я

в области 1>Ь

00 -Т г

Е(х,г)=%Ое 1к .уш р х,

к= 1

в области 0<г<б

00 ^ Г 7 00 - Г 7

е 5 + е* >

3 5=1

в области 6<г<Ь-6

4 5=1

в области Ь-5<г<Ь

00 ^ Г 7 00 - Г 7

Здесь

р = ктт/а, т = (рг - к2)и\ к = и

V V V л г\ V V

и Г, Г - постоянные распространения волны Н -типа на

участках волновода 0<г<6 или Ь-6<г<Ь и д<г<Ь-8 соответственно. ± + ±

Функции V , IV , Е обращаются в нуль на стенках волновода,

в 5 Б

т.е. при х= 0, х=а, и удовлетворяют уравнениям вида

2 ± ¿т

+

dx'

[к2аф) + Fi -0,

± ± ± ±

где F ={V ,W ,Е /, с ix) равна 1 вне пластины, комплексной

s i S S S

диэлектрической проницаемости сп в области приповерхностного слоя и комплексной диэлектрической проницаемости ео во

внутренней области полупроводника.

+ ± ±

Разложим функции VWs, Еs в ряд Фурье по функции регулярного волновода, т.е. по sin{pkx). Дополнительное применение условий сшивания на боковых гранях слоистой полупроводниковой структуры позволяет получить дисперсионное

уравнение для постоянных распространения волны. Представляя

± ± ±

коэффициенты разложения амплитуд Vs, Ws, Es через дополнительные коэффициенты, найденные из условий сшивания, получаем систему уравнений для нахождения постоянных

,± ±

распространения Г8, и амплитуд Ф s, Qs волн в каждой из введенных областей слоистой полупроводниковой структуры. Определенные таким образом амплитуды позволяют рассчитать напряженности электрических полей отраженной и прошедшей волн по формулам вида:

отр

П

27.

X м

k s

+ ф

А. М

П s к

Т.-1,

к s

sin р х: к

Е II

Пр " "

к 2т

ХМ -rL ХМ г l

Ilsk s П s к s

Q .--— e + Q --— e

Тк"Г к s

к s

sin p x; к

Коэффициенты отражения и прохождения представляются в виде:

Д =

I

X М —п «1

Т, +Г 1 5

+ $

Л м

П 5 1

7, -Г

1 в

27,

Т

27.

-I

ХМ -п. ХМ г ь

_+ 3 , _ ~ П в 1 5

о. -— е + о. -— е

7, -Г 1 $

у +Г

1 5

С помощью приведенных формул были проведены численные расчеты установившегося СВЧ-поля в волноводе сечением 23хЮ мм2 на частоте 9,43 Ггц. При отладке программы расчета поля для трехслойной полупроводниковой структуры использовались результаты счета для однослойной структуры. Были проведены расчеты, результаты которых представлены на рисунках, ¿^-составляющей СВЧ-поля по х и г частично заполненного волновода сечением 23x10 мм2 для одно- и трехслойных полупроводниковых призм с различными приповерхностными слоями.

Приведенные в диссертации данные показывают, что приповерхностный слой полупроводника заметно влияет на распределение поля по оси х волновода. Количественно эффект определяется величинами удельных сопротивлений ро и рп объемного и приповерхностных слоев полупроводника и отношением их толщин. Например, для значений ро=300 Ом-см, рп=100 Ом-см и толщины 6=0.5 мм напряженность Еу поля в центре призмы изменяется на 10-30% по сравнению с ее величиной в случае однородного образца. Также существенно, вплоть до изменения знака градиента, меняется распределение напряженности поля вдоль оси 2 (т.е. вдоль направления распространения волны).

На основе результатов расчета электромагнитного поля численным интегрированием найдено распределение температуры в пластине при теплообмене через боковые поверхности, которое использовано при вычислении градиентной ЭДС по формуле

1

V = а ¡т(ь)-т(о)] ,

т т

где ат - коэффициент термоЭДС полупроводника, Т(0) и Т(Ь) -температуры передней и задней граней пластины.

Для нахождения продольной ЭДС увлечения с учетом пространственного распределения плотности мощности в

полупроводнике и с холловской подвижностью использовалась формула:

В каждом из трех слоев находятся распределения поля и температуры и соответствующие им градиентная ЭДС и ЭДС увлечения, которые затем суммируются.

В диссертации представлена зависимость нормированной на мощность величины радиоЭДС двух механизмов от величины рп и толщины приповерхностного слоя. Из графиков видно, что наличие приповерхностного слоя на п-Яг с изменяющейся проводимостью в большей степени влияет на термоЭДС, чем на ЭДС увлечения. Последнее объясняется меньшей зависимостью V от концентрации носителей заряда, т.к. в расчетах используется такой интервал изменений рп, в пределах которого подвижность носителей заряда существенно не меняется. Развитая во второй главе методика расчета поля и ЭДС для слоистой структуры привлекается для объяснения зависимости ЭДС, измеряемой с кремниевых образцов с различной приповерхностной обработкой с аналогичными параметрами эксперимента.

Третья глава посвящена экспериментальному определению радиоЭДС в слоистых кремниевых структурах, частично заполняющих прямоугольный волновод.

В первом параграфе главы дается описание стенда для измерения ЭДС. Представлена блок-схема с описанием каждого из элементов: генератора трехсантиметрового диапазона магнетрона, вентиля, аттенюатора, измерительной линии. Описана также измерительная ячейка для измеряемых полупроводниковых образцов. Обосновывается выбор Я-образной формы образцов для измерения ЭДС. Описан термостат для измерительной ячейки, используемый для измерения температуры полупроводниковых образцов.

Во втором параграфе оценивается степень согласования волноводного тракта, при котором можно пренебречь влиянием термоЭДС из-за рассогласования волноводного тракта. Расчеты показывают, что при КСВН<1.05±0.03 термоЭДС рассогласования пренебрежимо мала.

(1)

с

В третьем параграфе описана технология получения полупроводниковых образцов: виды обработки поверхности кремниевых дисков заданной толщины; шлифовка порошками М20, М5; химическая полировка. Представлены фото различных видов поверхностей n-Si с 400-кратным увеличением . Описаны методы изготовления омических контактов к n-Si с различной обработкой и оценки омичности контактов. Также дана методика изготовления образцов Я - образной формы.

Параграф 3.4 посвящен определению состояний приповерхностных слоев кремниевых образцов. Для экспериментального определения величины и распределения поверхностного потенциала полупроводниковых образцов предлагается прибор для их измерения на основе метода динамического конденсатора (метод контактной разности потенциалов - КРП).

Излагаются основы конденсаторного метода измерения КРП. При приближении металлической и полупроводниковой пластин возникает контактная разность потенциалов, которая пропорциональна разности поверхностных потенциалов. Конденсаторный метод Кельвина является более совершенным благодаря введению компенсирующего потенциала. Еще более совершенен конденсаторный метод Зисмана. В этом случае одна из пластин измеряемого конденсатора вибрирует с определенной частотой. Компенсируя контактную разность потенциалов напряжением, снимаемым с потенциометра, добиваются отсутствия сигнала на индикаторе, включенном на выход усилителя. Отсчет по потенциометру и дает значение измеряемой КРП. Анализируются схемы измерения, позволяющие уменьшить влияние паразитной емкости, приводящие к большой погрешности. В результате предлагается наиболее эффективная схема измерения с учетом использования фазового детектора. Описывается схема построения прибора, защищенного авторским свидетельством, и его экспериментальная реализация.

Далее приводятся результаты измерений величины и распределения КРП на образцах из n-Si. Кривые распределения КРП являются реализациями случайного поля величин поверхностного потенциала. Измерения обрабатывались программой для анализа массивов случайных величин. Для каждой обработки поверхности п-Si строились гистограммы. Для каждой обработки получены среднее значение, размах КРП и модальность гистограммы. Из проделанных измерений можно сделать вывод о том, что поверхностный потенциал увеличивается при более "тонкой" обработке поверхности. А по известной зависимости подвижности носителей

на поверхности полупроводника можно сделать вывод об уменьшении подвижности при более "тонкой" обработке. После измерений на приборе проводили: 1) отбор образцов по качеству обработки для каждого ее вида; 2) оценку подвижности в приповерхностном слое, считая его однородным.

В параграфе 3.5 приведены результаты измерений радиоЭДС в образцах из л-5/ в трехсантиметровом диапазоне и сравнение их с расчетом, проведенным во второй главе. Показана зависимость чувствительности образца и/Р от относительного изменения сопротивления образцов Лизм/Ло, характеризующего вид обработки СКИЗМ - измеренное на постоянном токе сопротивление образца; Яо расчетное сопротивление в предположении однородности исходного материала; 17 - постоянное напряжение, снимаемое с образца; Р - проходящая СВЧ мощность). Используя программу расчета радиоЭДС в частично заполненном волноводе, разработанную во второй главе, построена теоретическая кривая зависимости, аналогичная опытной. При этом берутся параметры объемных и приповерхностных слоев, измеренных на постоянном токе и измерениях КРП. Сравнение этих кривых с учетом погрешностей эксперимента указывает на хорошее соответствие расчета и экспериментальных данных. На основании этого сделан вывод о корректности выбранной модели слоистой полупроводниковой структуры.

В четвертой главе приводятся экспериментальные результаты исследований радиоЭДС в «-5г, п- и р-1пБЬ в трехсантиметровом и восьмимиллиметровом диапазонах в широком интервале температур. Также описан метод повышения чувствительности и точности измерительного преобразователя на основе радиоЭДС в слоистой полупроводниковой структуре.

В первом параграфе даны результаты измерения радиоЭДС в п-1пБЬ в интервале температур 77-350 К. Измерения проводились при уровне мощности 0-16 мВт, отклонения от линейности не замечено. В силу малости мощности можно пренебречь градиентной ЭДС при частоте 40 ГГц. Температурные зависимости радиоЭДС и ЭДС Холла, измеренной на постоянном токе, также подтверждают правильность идентификации измеряемой радиоЭДС с ЭДС увлечения, т.е. динамическим действием СВЧ-волны. При этом температурная зависимость ЦН(Т) для п-1п8Ъ рассчитывается по ЭДС увлечения с помощью формулы (1).

На температурной зависимости в области низких температур замечено расхождение ЭДС увлечения и ЭДС Холла на постоянном

токе. Это расхождение интерпретируется влиянием инерционных свойств свободных электронов при низких температурах на данной частоте. В этом параграфе представлены также результаты измерений радиоЭДС в полупроводниковых образцах из р-1пБЬ. Их проводимость обусловлена как электронами, так и дырками, что проявляется в широком интервале температур, т.е. происходит инверсия типа проводимости. В этом эксперименте проведено также сравнение величины ЭДС, связанной с динамическим действием, с ЭДС Холла на постоянном токе. Для радиоЭДС полупроводника со смешанной проводимостью справедлива формула:

у - -Щ- Чг— •

и с2 х а 0

где Лх(Т для смешанного типа проводимости при переходе к монополярному полупроводнику переходит к Цп. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей Я О от температуры указывает на их совпадение в области высоких температур и их различие в области низких температур (Г<160К) из-за инерционных свойств носителей заряда на СВЧ.

Во втором параграфе приведены результаты измерений радиоЭДС на л-5/ в трехсантиметровом диапазоне в интервале температур 150-300 К. Схема эксперимента описана в п. 3.1. При использовании кремния с Р0=4.5 Ом-см в широком интервале мощности (до 5 Вт) при расчете радиоЭДС необходимо учитывать градиентную составляющую. Методика и программа, разработанная в гл. 2, применялась для определения температурной зависимости радиоЭДС для используемого образца. Хорошее соответствие расчетных и опытных кривых позволяет автору утверждать о корректности использованной модели расчета. Приведенные результаты позволили предложить метод повышения чувствительности и точности измерительного преоразователя для СВЧ-датчика проходящей мощности.

В параграфе 4.3 описана конструкция преобразователя, которая защищена авторским свидетельством. Предлагаемый измерительный преобразователь представляет собой отрезок прямоугольного волновода со слоистой полупроводниковой пластиной, помещенной в него через неизлучающую щель. Причем приповерхностные слои находятся в поле электромагнитной волны, вектор распространения основной волны параллелен плоскостям поверхности пластины. Омические контакты расположены вне волновода. Приповерхностные слои соединены между собой последовательно. Такая конструкция

дает возможность повысить чувствительность датчика, его точность и надежность. При этом она дает малое искажение распределения СВЧ-волны. Расчеты позволили оценить параметры указанной слоистой структуры: ее толщина должна составлять не более 0.05-0.1 от ширины волновода, а длина - не более 0.5 рабочей длины волны; приповерхностные слои должны быть монокристаллическими (например, в виде легированных слоев) толщиной в пределах 0.02-0.1 от общей толщины пластины. При этом удельная проводимость указанных слоев не менее чем в 102 раз превышает удельную проводимость материала основного остова пластины.

В заключении приведены основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате решения поставленной задачи была разработана методика численного расчета на ЭВМ распределения электромагнитного поля в частично заполненном волноводе, коэффициентов прохождения и отражения волны от трехслойной полупроводниковой структуры. Проведена оценка влияния параметров приповерхностного слоя на коэффициенты прохождения и отражения. Рассчитаны радиоЭДС градиентного и увлекающего механизмов в полупроводниковой слоистой структуре с учетом высших типов волн для структур с различными приповерхностными слоями. Показано, что наличие приповерхностного слоя существенно влияет на распределение поля, выличины коэффициентов прохождения и отражения волны и радиоЭДС.

2. Создана установка для измерения величины и распределения поверхностного потенциала плоскопараллельных твердотельных образцов методом динамического конденсатора, защищенная авторским свидетельством.

3. Проведены эксперименты по измерению радиоЭДС в трехсантиметровом диапазоне с использованием измерений поверхностного потенциала. Экспериментально подтверждено существенное влияние параметров приповерхностных слоев на величину радиоЭДС. Установлено, что вид приповерхностной обработки образцов может в ряде случаев изменить величину градиентной составляющей ЭДС на порядок. Сравнение теории и эксперимента позволило сделать вывод о необходимости учета высших типов волн в зависимости от геометрии и электрофизических параметров образцов. Установлено, что влияние

высших типов волн наиболее существенно для трехслойной структуры.

4. Дан анализ результатов температурных измерений ЭДС, возникающей в п- и р-1пБЪ в восьмимиллиметровом диапазоне при малой мощности излучения. На основе их сравнения с расчетами измеряемая ЭДС индетифицирована с ЭДС увлечения.

5. Проведены температурные измерения ЭДС в п-5/ на частоте 9,4 ГГц. При этом расчеты по разработанной программе с учетом высших типов волн для ралиоЭДС градиентного механизма дали хорошее соответствие с экспериментом. Продемонстрирована применимость разработанной программы для конструирования датчика проходящей СВЧ мощности на основе слоистой структуры.

6. Предложено новое техническое решение конструкции первичного измерительного преобразователя для СВЧ-датчика проходящей мощности, полученная оптимизацией геометрических размеров, подвижности и концентрацией носителей заряда в слоистой структуре при условии достаточной чувствительности радиоЭДС при минимальной искаженности поля волновода.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Комов А.Н., Трещев В.М. Об измерении холловской подвижности свободных носителей в п-/п£Ь на основе радиоэлектрического эффекта.//Физика и техника полупроводников. 1977. Т. 11. Вып. 1. С. 182-186.

2. Комов А.Н., Трещев В.М. Исследование радиоэлектрического эффекта в р-1п8Ъ в интервале температур 100-300 К.// Физика и техника полупроводников. 1978. Т. 12. Вып. 9. С.1849-1851.

3. Комов А.Н., Смирнова Л.М., Трещев В.М. Исследование радиоэлектрического эффекта в электронном кремнии на средних уровнях мощности.// Тез. докл. Всесоюзной конференции по электронике СВЧ. - Киев, 1979. С. 153.

4. Комов А.Н., Трещев В.М. Исследование полупроводниковых поверхностно-чувствительных преобразователей в СВЧ диапазоне методом КРП.// Тез. докл. I Всесоюзной межвузовской науч.-тех. конференции "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий". -Фергана, 1981. С. 67.

5. Комов А.Н., Трещев В.М., Ярцев В.М. Исследование радиоэлектрчиеского эффекта в интервале температур 100-300 К.// Материалы Всесоюзной конференции "Технология получения и электрические свойства соединений АЪВ5". - Ленинград, 1981. С. 121-123.

6. Комов А.Н., Трещев В.М. Вклад термоЭДС рассогласования в радиоэлектрический эффект в полупроводниковой пластине на СВЧ.// Электронная техника. Сер. I. "Электроника СВЧ". 1982. Вып. 11. С. 64. (Депонировано в ЦНИИ Электроника. N8674/83)

7. Никишов В.Н., Трещев В.М., Яровой Г.П. Влияние поверхности полупроводникового стержня на распределение СВЧ-поля в прямоугольном волноводе.// Межвуз. сбор. "Вопросы распространения сигналов в волноводных системах". - Куйбышев: КГУ, 1983. С. 3-13.

8. Комов А.Н., Трещев В.М. Влияние поверхностной обработки полупроводников на радиоэлектрический эффект в п-Si.U Межвуз. сбор. "Вопросы распространения сигналов в волноводных системах". - Куйбышев: КГУ, 1983. С. 41-48.

9. Комов А.Н., Переверзева O.K., Смирнова Л.М., Трещев В.М. Датчик проходящей СВЧ мощности на полупроводниковых гальваномагнитных преобразователях.// Приборы и техника эксперимента. 1983. N 5. С. 235.

10. А. С. 1062617А СССР. Датчик СВЧ мощности / Белогорцев A.M., Комов А.Н., Трещев В.М. (СССР) - N 3444772/18-09. Заявл. 02.03.82. Опубл. 23.12.83 Б.И. N 47 - 2с.

11. Комов А.Н., Трещев В.М., Яровой Г.П. Радиоэлектрический эффект в слоистой полупроводниковой структуре в неоднородном СВЧ-поле.// Тез. докл. X Всесоюзной конференции по электронике СВЧ. - Минск, 1983. С. 68.

12. Комов А.Н., Трещев В.М., Яровой Г.П. Электродинамический анализ симметричной слоистой структуры с произвольными концентрациями свободных носителей заряда с учетом тепловых процессов.// Тез. докл. Всесоюзной науч.-тех. конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ". - Ленинград, 1984. С. 261.

13. Комов А.Н., Трещев В.М., Яровой Г.П. Распределение поля и радиоэлектрический эффект в слоистой полупроводниковой структуре в частично заполненном волноводе.// Радиотехника и электроника. 1985. Т. 30. Вып. 11. С. 2114-2119.

14. А. С. 1257570 AI СССР. Измеритель поверхностного потенциала./ Инцин А.Ю., Трещев В.М., Комов А.Н. (СССР) - N 3854030/24-21. Заявл. 01.01.85. Опубл. 15.09.86. Б.И. N34 - 5с.

15. Трещев В.М. Электротепловая неустойчивость распространения СВЧ излучения средней мощности в частично заполненном полупроводниковом волноводе.// Тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума "Плазма и неустойчивость в полупроводниках". Вильнюс, 1986. С. 68.

16. Занин В.И., Комов А.Н., Трещев В.М. О повышении чувствительности полупроводниковых преобразователей на радиоэлектрическом эффекте и расширение их частотной границы. // Тез. докл. I Украинского симпозиума "Физика и техника ММ и субММ радиоволн". - Харьков, 1991. Ч. 1. С. 210.

17. Комов А.Н., Трещев В.М., Шангин В.Б., Щербак A.B. Автоматизированная установка по контролю состояния поверхности плоскопараллельных образцов на основе динамического конденсатора (КРП).// Тез. докл. Всесоюзной науч.-тех. конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции". - Саратов, 1991. С. 23.

Заказ N__Тираж 100 экз.

Отпечатано в редакционно-издательском отделе Самарского госуниверснтета 443011, г. Самара, ул. ак. Павлова, 1