Распространение электромагнитных волн КВЧ-диапазона в электродинамических системах с тонкими концентрационно-неоднородными и нелинейными полупроводниковыми элементами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Для служебного пользования Экз. № 4 6 На правах рукописи

АЛЬТШУЛЕР Евгений Юрьевич

УДК 621.371.029.65:621.38

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НВЧ-ДИАПАЗОНА В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

С ТОНКИМИ КОНЦЕТРАЦИОННО-НЕОДНОРОДНЫМИ И НЕЛИНЕЙНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов — 1991

| . ОС

Работа выполнена в Саратовском ордена Трудового >асного Знамени госуниверситете им Н. Г. Чернышевс-•го на кафедре электроники и волновых процессов.

Научный руководитель — доктор физико - математических наук, профессор Л. И. Кац

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор И. В. Лебедев

— доктор физико-математических наук, профессор А. Л. Булгаков

Ведущая организация —Институт радиотехники

и электроники АН СССР (г. Москва)

Защита диссертации состоится 1991 го-

1а в '¡ Стасов на заседании специализированного совета ю радиофизике Д.063.74.01 в Саратовском государственном университете по адресу: 410601, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан „ в " 1991

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математнчер IX наук, доцент

В. М. Аникин

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР ИСТИНА РАБОТЫ ' .

Актуальность темы. К основный устойчивым тенденциям развития современной радиофизики относятся дальнейшее освоение миллиметрового диапазона длин волн (КВЧ-диапазона) и повышение используемых уровней мощности. В русле отмеченных тенденций находится исследование взаимодействия КВЧ электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлекгрическими структурами. • •

К началу выполнения настоящей работы проведен большой объем теоретических и экспериментальных исследований по этим проблемам. Так, обстоятельно изучено распространение электромагнитных КВЧ — волн в электродинамических системах на основе металлических волноводов с полупроводниковыми элементами в линейном режиме. Много работ посвящено диэлектрическим волноводам КВЧ-диапазона, в том числе - на основе высокоомных полупроводниковых материалов и различным КВЧ-устроЙствам, включающим диэлектрические волноводы (ДВ). Имеется большой объем информации и по нелинейному взаимодействию сильной электромагнитной волны с полупроводниковой средой, в частности при разогреве и ударной ионизации'плазмы носителей заряда в полупроводнике электромагнитным полем волны.

Однако, распространение электромагнитных КВЧ-волн в электродинамических системах с частичным полупроводниковым заполнением.в условиях -концентрационной неоднородности полупроводниковой среды и в нелинейном режиме"оставалось малоисследованным.

----"Изучение" такого'взаимодействия"актуально как "с точки зрения

развития радиофизических"методов исследования"применительно"к полупроводниковым средам, так и для создания устройотв коротковол- • новойобласти СЗЧ и КВЧ-диапазонов.

Цель работы: исследование особенностей взаимодействия. КВЧ электромагнитных волн с плазмой" носителей заряда в тонких полупроводниковых элементах, расположенных в различных волноводах в условиях концетрационной неоднородности полупроводниковой среды и нелинейности полупроводникового элемента в сильном электромагнитном поле и анализ возможностей применения изучаемых физических эффектов для создания пассивных устройств коротковолновой области СЗЧ и КВЧ-диапазона.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

N

1. Впервые показано, что тонкий концентрационно-неоднородный

в поперечном сечении полупроводниковый элемент, расположенный ' на поверхности'диэлектрического волновода, позволяет уменьшить суммарные потери электромагнитной энергии в КВЧ-диапазоне.

2. Показано, что в условиях ударной ионизации плазмы носителей заряда в полупроводнике постоянным напряжением поверхностная I рекомбинация ионизированных носителей в тонких полупроводнико- | вых элементах приводит к изменению на порядок и более модуля и резкому изменению фазы коэффициента отражения КВЧ электромагнитной волны от такого элемента. Наличие поперечного магнитного поля (индукция В0= 0.2 - 0.3 Тл для материала 5 при длине волны Л = 8 мм) позволяет исключить существенное влияние поверхностной рекомбинации на электродинамические характеристики.

3. Модифицирован электродинамический метод расчета структуры электромагнитного поля в электродинамических системах применительно к прямоугольным металлическим .волноводам с тонкими нелинейными полупроводниковыми элементами. Метод, основанный на применении системы нелинейных дифференциальных уравнений'возбуждения электродинамических систем током, позволил провести электродинамические расчеты в приближении заданной поляризации электромагнитного поля.

4. Показано (теоретически и экспериментально), что совокупность тонких полупроводниковых элементов кз1п5Ь (2-3 элемента), размещенных в Е-плоскости прямоугольного волновода, один из которых находится в центральном сечении волновода или на расстоянии от узкой стенки, ■ / а - размер широкой стенки волновода/' представляет физическую основу эффективных электрически регулируемых КВЧ устройств на высокие уровни импульсной ' мощности.

5. Получены приближенные аналитические соотношения для амплитуд кратных высших временных гармоник плотности тока в полупроводниковой среде при одновременном воздействии ионизирующего постоянного напряжения и сильной электромагнитной волны.

Положения и результаты, выносимые на'защиту . I. Тонкий полупроводниковый элемент (с толщиной, не превышающей глубину скин-слоя электромагнитной волны в'полупроводниковом материале), расположенный на поверхности диэлектрического

волновода, позволяет получить при определенных условиях максимальную локализацию "электромагнитного поля в ДВ, что приводит к уменьшению суммарных потерь энергии, а именно: минимизации потерь энергии на излучение вне волновода при небольшом увеличении потерь на распространение. Эффект реализуется в частотном диапазоне при выполнении условий полного внутреннего отражения электромагнитной энергии плазмой носителей заряда в полупроводнике.

¿. Взаимодействие сильной электромагнитной КВЧ-волны с системой тонких параллельных полупроводниковых элементов в Е-плос-кости прямоугольного металлического волновода приводит к регулируемому ограничению и стабилизации энергии такой волны в волноводном тракте в условиях ударной ионизации плазмы носителей заряда в полупроводнике электромагнитным полем. Характерная длина области спада амплитуды сильной электромагнитной волны в е ра'з в направлении волнового вектора имеет порядок глубины скин-слоя электромагнитной волны (для максимальной концентрации носителей) и не превышает 0.1 длины волны в свободном пространстве, а уровень прошедшей КВЧ-мощности электрически регулируется постоянным импульсным напряжением и постоянным магнитным полем в широком динамическом диапазоне. 3. Результаты расчета амплитуд кратных высших временных гармонических составляющих (ВГС) плотности тока и результаты расчетов и измерений мощности на ВГС при спектральном преобразовании, обусловленном ударной ионизацией в полупроводниковой среде. Результаты показывают, что относительная интегральная величина мощности на ВГС в спектре прошедшего электромагнитного сигнала после нелинейного взаимодействия с плазмой носителей заряда в InSB 'в КВЧ-диапазоне составляет 1-2%.

Устройства СВЧ и КВЧ-диапазона с тонкими полупроводниковыми элементами на основе исследованных физических эффектов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение: диэлектрический волновод; ограничитель мощности; устройство для измерения СЗЧ-мощности.

Практическая значимость p¿6otíj состоит в том, что предложена и обоснована новая конструкция диэлектрического волновода с полупроводниковым элементом, и разработаны физические основы ограничительного устройства на высокие уровни импульсной КВЧ-мощности. Разработанный лабораторный макет ограничительного устройства позволил получить параметры, не уступающие PIN диодным аналогам.

Результаты работы применяются в НИРах, проводимых в НИИ "Волна" г. Саратова и НИИМ§ Саратовского университета, 'а также в ' учебных курсах, читаемых студентам и курса специальности радиофизика и электроника физического факультета Саратовского горуни-верситета им. Н.Г. Чернышевского.

Достоверность выводов диссертации подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных результатов, использованием распространенных и апробированных методов математической физики и численных методов при теоретических исследованиях,.соответствием полученных результатов с известными из литературы контрольными случаями.

Апробация работы. Результаты работы'апробированы на следующих Всесоюзных конференциях и семинарах: Всесоюзная школа-семинар "Поверхностные волны в твердом теле" (г. Новосибирск, 1982 г.); Всесоюзная конференция "Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах", (г. Саратов, 1983 г.), Всесоюзная конференция и школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн -с полупроводниками и полу-проводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания ' интегральных КВЧ-схем", (г. Саратов, 1985" г.). Одиннадцатая Все-союзйая научная конференция "Электроника сверхвысоких частот", (г. Орджоникидзе (Владикавказ), 1986 г.); П-ая Всесоюзная конференция "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ-схем, (г. Сарйтов, 1988 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах", (г. Тбилиси, 1988 г.); Ш Всесоюзное совещание "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупро- , водниковых структурах", (г.' Билыас, 1989 г.); Всесовзный сим по- . »■ум "Волны и д«фракция-90", (г. Винница, 1990 г.), Ш-.Л Всесоюзная конференция "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (г. Саратов, 1991), и на научных семинарах кафедры электроники Саратовского государственного университета и НИИ "Волна" (г. Саратов,' 1988-1991 гг.).

Публикации. Основные материалы работы опубликованы в ЗД статьях и теЯксах докладов, по ним получены три авторских свидетельства на изобретения. Спиеоя публикаций приведен в конце ав-

' } 1 *

-г-7-

тореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация- состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст содержит 133 страницы машинописного текста. Число рисунков 48 на 42 страницах. Список литературы 142 наименования. Обций объем диссертации 188 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен краткий обзор литературы по электродинамическим системам КВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами и по нелинейным эффектам при взаимодействии сильной электромагнитной волны с плазмой носителей заряда в полупроводниках. Обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, новизна научных результатов работы и положения, выносимые на защиту, а также практическая значимость работы и изложенЪ краткое содержание работы.

В первой главе работы рассмотрены вопросы распространения поверхностных электромагнитных волн в диэлектрических волноводах и полупроводниково-диэлектрических структурах и решена задача о распространении электромагнитной СВЧ и ГСВЧ-волны в прямоугольном диэлектрическом волноводе, в том числе зеркальном волноводе, с поперечно-неоднородным полупроводниковым элементом.

Проведено численное решение электродинамической задачи по расчету комплексных постоянных распространения и'структуры электромагнитного поля волн Е-типа в ДВ с многослойным полупроводниковым элементом при аппроксимации зависимости диэлектрической проницаемости от поперечной координаты У кусочно-линейными и кусочно-квадратичными функциями и при изменении концентрации носителей в широких пределах от минимального значения Л/п;п на-границе ДВ до максимального значения ПтдХ на внешней границе. В качестве начального приближения решена задача по распространению электромагнитной волны в ДВ с однородным полупроводниковым элементом при концентрации носителей заряда соответственно равных п„1П , Псредц , Птак • Начальное приближение по постоянной распространения ЭМ-волны и амплитудным коэффициентам, описывающим электромагнитное поле, определялось как взвешенное среднее полученных при этом значений.

Известные из литературы решения волнового уравнения для

>

среды при линейной и квадратичной зависимости диэлектрической проницаемости £ от координаты У (вдоль минимального размера) применены для случая полупроводниково-диэлектрйческого волновода, в том числе при наличии диссипативных потерь. При этом решения для каждого полупроводникового слоя как при линейной, так и при квадратичной зависимостях £( ¿/ ) представлены в виде суперпозиции в каждом случае двух специальных функций, пред- -ставляющих собою сходящиеся степенные ряды по.нормированному поперечному размеру ДВ.

Представлены и проанализированы результаты расчетов по структуре ЭМ-поля при различных электрофизических параметрах полупроводниковых слоев группы А^В^. Проведено сопоставление результатов расчетов с известными по литературе экспериментальными результатами и показано их соответствие.

Теоретически показано, что при толщине полупроводникового элемента, меньшей глубины скин-слоя ЭМ-волны в полупроводниковой среде, может быть реализована максимальная локализация ЭМ энергии в ДВ в КВЧ диапазоне. Физически это объясняется минимизацией потерь энергии на излучение вне ДВ (при реализации условий, близких к полному внутреннему отражению в данном частотном диапазоне) и небольшим (не более, чем на 10-15$) возрастанием диссипативных потерь в рассмотренной электродинамической системе по сравнению с соответствующим однородным ДВ. При этом на менее 95$ электромагнитной энергии локализуется непосредственно в ДВ.

Проведенные измерения электродинамических характеристик специально изготовленного диэлектрического волновода с применением арсенид-галлиевой структуры САГИС с толщиной полупроводниковс пленки I мкм (пределы изменения концентрации свободных носителей вдоль пленки от Ю23 до Ю21 1/м3 при Т = 300° -К, при Т = 77°К соответствующие значения для баАз уменьшаются на порядок) показали, что в б мм диапазоне суммарные потери энергии (с учетом перехода на стандартный металлический волновод) при Т = 77СК не увеличиваются по сравнению с однородным ДВ из высокоомного бехАв что согласуется с результатом электродинамического анализа.

Теоретически показано, что применение тонкого полупроводникового элемента (толщина в поперечном сечении 1-5 мкм) позволяет уменьшать суммарные потери при частотах столкновений носителей в полупроводнике У[< Ю*2 а наложение поперечного магнитного поля в геометрии ВоЧ^гас/л (В0 0,4 Тл) позволяет наблюлать исследуемый эффект при V = 5хЮ12с~*, т.е. при комнатных температурах.

Предложен полупроводниково-диэлектрический волновод прямо-

угольного поперечного сечения, выполненный из высокоомного полупроводникового материала (например, GaAs ), отличающийся тем, что для максимальной локализации ЭМ-энергии на .двух противоположных гранях волновода расположены полупроводниковые пленки с концентрацией носителей заряда, монотонно увеличивающейся в направлении от центра волновода от -значения П„сп ДО/7ЛЯ-.г(1/мЪ, причем : г

- /, Zb * 10 - £, *т -f^Ln max 'max

соответственно диэлектрическая проницаемость решетки полупроводникового материала, эффективная масса Носителей, норт. мированная к массе свободного электрона и максимальная и минимальная частота (в Гц) в полосе частот волновода.

В работе формула для концентрации носителей, соответствующая внутреннему отражению электромагнитной'энергии, обобщена с учетом частоты столкновений носителей в полупроводниковой среде.

Новизна предложенной конструкции волновода подтверждена авторским свидетельством на изобретение.

В главе также теоретически рассмотрены вопросы улучшения совокупности г!араметров (регулирование частоты и добротности) высокодобротного диэлектрического резонатора (ДР) коротковолновой эбласти £34 или КЗЧ-диапазона при нанесении на ДР'тонкого полупроводникового элемента, и показаны возможности управления доброт-'-гостью такого ДР в широких пределах.

Во второй главе работы проводится теоретический электроди-<амический анализ распространения КВЧ ЭМ-волн в среде с тонким полупроводниковым элементом (узкозонный материал группы АШВУ) в условиях ударной ионизации носителей заряда в полупроводнике.

В § 2.1 рассмотрена электродинамическая задача для случая юнизации плазмы носителей заряда в полупроводнике постоянным тпряжением. Решено дифференциальное уравнение баланса неравновесных носителей заряда в режиме стационарной ударной ионизации : учетом граничных эффектов (поверхностной рекомбинации) на грани-дах тонкого полупроводникового элемента во внешнем поперечном юстоянном магнитном поле Во.

Электродинамическая задача по расчету комплексных коэффици-(нтов отражения ЭМ-волны от полупроводниковой пластины представ-1яется волновым уравнением с соответствующими граничными условия-^ (и при концентрации носителей, определяемой из дифференциального 'равнения баланса, в которое входят генерационное и рзкомбинаци-1нное слагаемое.

При численном решении этой задачи на ЭЦВМ получены зависимости для различных толщин пластины модуля и фазы • ^ коэффициентов отражения (прохождения) электромагнитной волны от ее нормированной частоты, концентрации ионизированных носителей,скорости поверхностной рекомбинации /3 , величины внешних полей Е0 и В0- Расчеты проведены при характерных для 1л56 электрофизических параметрах.

Рассмотрено взаимодействие КВЧ-волны с плазмой носителей заряда в полупроводниковом элементе в режиме ударной ионизации при двух известных механизмах набора энергии носителями1дмффузионном и баллистическом.

Показано, что стационарная ударная ионизация для модели полупроводниковой среды при Р$ = О приводит к увеличению в несколько десятков раз по сравнению с равновесной полупроводниковой средой'частоты со* , соответствующей плазменному резонансу и минимуму величины 1Я1 . Анализ влияния поверхностной рекомбинации на отражение ЭМ волны в зависимости от толщины полупроводникового элемента Ьв показал, что при Ц® диффузионная длина ионизированных носителей) поверхностная рекомбинация практически не влияет ни на'частоту СО^ , ни на фазовые соотношения для отраженной и прошедшей волны. Однако, при Ьо поверхностная рекомбинация приводит к тому, что увеличение частоты по сравнению с равновесным случаем не превышает трех раз.

Показано, что действие поперечного магнитного поля В0 на плазму носителей заряда в 1п5Ь позволяет при значениях скорости Р$ - Кр-Ю^м/сек получить увеличение частоты сО^ по сравнению с равновесной полупроводниковой средой на порядок и более. При этом резко уменьшается влияние граничных эффектов на электродинамические характеристики, а также становится возможным управлять амплитудными характеристиками (изменение от 0.03 до 0.98) и .фазовыми соотношениями (скачок фазы -^г и более) распространяющейся КВЧ-волны при изменении величины В0 в пределах 0,1 -0,35 Тл.

13 §2.2 и 2.3 главы 2 проведен теоретический анализ распространения сильной ионизирующей электромагнитной волны в электродинамической системе (прямоугольном волноводе) с тонкими параллельными полупроводниковыми элементами в Е-плоскости волновода.

Выведена система нелинейных дифференциальных уравнений на основе метода уравнений возбуждения электродинамических систем током, описывающая распределение ЭМ-поля в прямоугольном волноводе с системой тонких нелинейных параллельных полупроводниковых элементов, размещенных в Е-плоскости волновода. Проведено численное решение на ЭЦВМ этой системы уравнений методом Рунге-Кутта в приближении разложения ЭМ-поля по собственным функциям волновода без заполнения.

Рассмотрено взаимодействие такой Эй КВЧ-волны с полупроводниковой средой в условиях ударной ионизации, этой, среды как энергией ЭМ волны, так и в результате одновременного воздействия электромагнитного поля сильной ЭМ КВЧ волны и импульсного постоянного напряжения. При этом проанализировано взаимодействие ЭМ-волны с полупроводниковой средой для случаев размещения в Е-пло-скости волновода соответственно одного, двух и трех тонких полупроводниковых элементов.

Для одного тонкого элемента в предельном случае (в приближении одного типа колебаний) получено аналитическое решение для амплитуды сильного ЭМ поля в "обратных функциях" в виде интегральной экспоненты. Рассмотрены случаи быстрого (по сравнению с экспоненциальным законом) на относительной продольной длине <1/10 спада амплитуды ЭМ КВЧ-волны вдоль направления распространения. .

Показано, что система двух и трех тонких, с размером вдоль широкой стенки волновода порядка глубины скин-слоя ЭМ волны в • полупроводниковой среде полупроводниковых полосок, расположекньи в Е-плоскости волновода при размещении полосок в центральном зечении и на расстоянии а/4 от узкой стенки волновода позволя-зт реализовать режим ограничения мощности сильной ЭМ КВ9 волны з выходом амплитудной характеристики на участок насыщения.

Показано, что при значениях импульсного постоянного напря-4 кения, соответствующего не менее 0.8 напряженности порогового электрического поля ударной ионизации в полупроводниковом материале, возможно электрическое управление в широких пределах уровнем ограничения амплитуды сильной КВЧ-волны, обусловленное ^линейным взаимодействием такой волны с полупроводниковой зредой, частично заполняющей прямоугольный волновод (для полу-троводникового элемента из!п58,расположенного в центральном се-

чении волновода и системы двух и трех тонких полупроводниковых элементов, один из которых размещен в центральном сечении, а два других - на расстоянии 3./4 от узкой стенки волноводного тракта) при толщине элемента порядка глубины скин-слоя электромагнитной волны ] полупроводниковом материале.

Теоретически показано, что высшие типы волн со структурой'ЭМ i ля Нто волн (при расчетах учитывалось до 15 типов колебаний) приводят к увеличению характерных длин спада энергии сильной ЭМ волны в волноводном тракте до порогового уровня.

В третьей главе работы представлены экспериментальные результг ты исследования взаимодействия сильной КВЧ ЭМ-волны с системой тонких параллельных полупроводниковых элементов из антимокида индия в E-Плоскости прямоугольного волновода с сечением канала 7,2'3,4 mi Проведена экспериментальная отработка геометрических и электрофизических параметров на микроваттных уровнях мощности при-изменении температуры от 77°К до 300°К (и соответствующего изменения электропроводности материала In S Ь на h порядка) это позволило получить для системы трех параллельных идентичных элементов, (размер вдоль широкой стенки волновода каждого элемента 100 мкм), размещенных в E-плоскости волновода: один элемент расположен в центральном сечении и два элемента на расстоянии а/4 от узкой стенки, затухание на микроваттных уровнях мощности, не превышающее 8 дБ при Т = 77°К.'

Проведены эксперименты по распространению сильной КВЧ-волны, генерируемой магнетронным генератором 8 миллиметрового диапазона, через волноводную секцию.с полупроводниковыми элементами, в Е-плос-кости (мощность, генерируемая магнетроном в импульсе составляла от 10 Вт до 5 кВт, средняя мощность не превышала 0,15 Вт), при различной геометрии,электрофизических параметрах полупроводникового материала In Ь6 и длительности КВЧ-импульса.

Показано, что в рззультате взаимодействия сильной КВЧ ЭМ-волны с описанной системой двух и трех тонких полупроводниковых элз-ментов в волноводе реализуется ограниченна уровня прошедшей мощности. Уровень прошедшей мощности управляется импульсным постоянным напряжением ( Ll0 <- I кВ) и постоянным поперечным магнитным полем (параллельным E-плоскости волновода) (BQ 0,4 Тл). Экспериментально показано, что сильное электромагнитное КВЧ-по-ле обуславливает процесс ударной ионизации в плазме носителей

заряда в JnSb при Т = 77°К в рассматриваемых условиях. Проведено сопоставление теоретических и экспериментальных результатов по амплитудным характеристикам и ограничению уровня КВЧ-мощности, которые,качественно соответствуют в широком диапазоне по мощности. Проведен подробный анализ причин расхождения расчетных и экспериментальных результатов.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана конструкция ограничителя мощности на высо- ' кие уровни импульсной мощности ХЗЧ-диапазона, представляющего собой пассивное ограничительное устройство с монотонной ограничительной характеристикой (зависимостью прошедшей мощности от падающей). Лабораторный макет ограничительного устройства на основе системы трех идентичных параллельных полупроводниковых элементов (полосок) толщиной по 100 мкм, размещенных в E-плоскости прямоугольного волновода с сечением' канала 7.¿''5Л мм и полностью заполняющих волновод вдоль узкой стенки, позволил получить ограни- ■ чение мощности ¿¿-30 дБ при измененил входной импульсной мощности, в 400 разгот 10 Вт до 4 кВт при быстродействии наносекундного порядка, ¿зличина прошедшей мощности управляется постоянным напряжением (И <.0,7 kJ) и постоянным поперечным магнитным полем (В0">- 0,35 Тл), для чего разработана специальная магнитная система из самарий-кобальтовых магнитов, вес которой составляет 0,6 кг для пакетированной конструкции. По совокупности электрических параметров разработанный лабораторный макет ограничительного устройства нз уступает PIN диодным аналогам.

При распространении сильной (ионизирующей) электромагнитной волны в среде с некомпенсированным полупроводниковым материалом при резкой координатной зависимости амплитуда 34 поля и вследст-еиз различных подвижностей и коэффициентов диффузии электронов и дырок может возникать стационарное распределение объемного заряда в направлении вдоль волнового вектора и следовательно продольная разность потенциалов. Этот эффект представляет физическую основу измерителя высоких, уровней импульсной КЗЧ-мощности.

Измеритель мощности, защищенный авторским свидетельством на изобретение, включает отрезок металлического или мэталлодиэлект-рического волновода, в котором под углом к продольной оси размещена полупроводниковая пластина с металлическими контактами, образующими меандр и подключенными к индикатору продольной разности потенциалов.

— ти-

В четвертой главз работы проводится исследование взаимодействия сильной КВЧ ЭМ-волны с плазмой носителей заряда в полупроводнике с учетом спектрального преобразования ЭМ сигнала, обусловленного нелинейной природой такого взаимодействия.

При синхронном воздействии на полупроводник сильной (ионизирующей) КВЧ ЭН-волны с амплитудой напряженности электрического поля Е^ и импульсного постоянного напряжения, соответствующего напряженности электрического поля Ер при условии Ер > Е^ получены предельные аналитические соотношения для амплитуд кратных высших временных гармоник плотности тока в полупроводниковом элементе.

Рассмотрены характерные для ударной ионизации зависимости плотности тока от напряженности электрического поля в полупроводнике вида

В", $ - известные из литературы параметры, описывающие процесс ударной ионизации в конкретном полупроводниковом материале и определяющие соответственно пороговую (по ударной ионизации) напряженность электрического поля и максимальное отношение концентрации электронов' к равновесной; К = I при баллистическом механизме нчбораладргии ноекалми- заряда в полупроводнике и К .= 2 при диффузионном механизме; - сдвиг фаз между током и полем в полупроводнике. - '

Получены формулы для плотности тока в виде ряда Фурье с явным представлением для амплитуд и фаз временных гармоник.Представление основано на замене переменной Ер/Е^- =еЛ? и тождественном преобразовании показателя экспоненциальной функции к виду комбинации гиперболических функций от ? й тригонометрических функций от с*'* . Далее получены Фурье-разложения преобразованной экспоненциальной функции в формуле для плотности тока, с помощью полученного рекуррентного соотношения для целых степене! показателя этой функции. В работе приведены явные аналитические формулы для амплитуд и фаз шести временных гармоник плотности тока, что позволило провести гармонический анализ этой величины в ударно-ионизированной полупроводниковой среде. Анализ показал что при характерной для 1п5б области электрофизических параметров в условиях ударной ионизации при Е^ •< Ер < Ч^ относительный I уровень высших гаомоническйх составляющих по току в КВЧ-диапа-

-15«»

не не превышает 1% при диффузионном механизме рассеяния но-телей заряда в полупроводнике и 15% - при баллистическом мелизме .

Вычисленные величины амплитуд кратных высших временных рмоник по плотности тока позволяют рассчитать и ВГС по мощ-сти. В работе показано, что относительная величина интеграль-й мощности на ВГС в условиях ударной ионизации плазмы носите-й заряда в InSí составляет в КВЧ-диапазоне 2-3$.

Проведено численное моделирование динамики нелинейных элек-онных и электромагнитных процессов, обусловленных одновремея-м воздействием на плазму носителей заряда ионизирую-

го КВЧ- ЗМ-поля и импульсного постоянного напряжения этом генерации и объемной рекомбинации неравновесных носителей, целирование проведено на основе известной модели в приближе-л уравнений баланса'энергии и импульса, являющихся моментами яетического-уравнения, а также с учетом баланса числа носителей. ( э!гом полевые зависимости скорости генерации неравновесных но-гелей, их средней дрейфовой скорости и средней энергии аппрок-<ированы в интервале изменения напряженности элзктрического по-200 < Е^ 1000 В/см для InSS по известным из литературы данным иштическими соотношениями. Расчеты по этому методу показали, > максимальная относительная величина ВГС по плотности' тока в ¡смотренном диапазоне параметров для Jn-S¿ составляет на уров-12"Л по отношения к среднему значению плотности тока.

Проведено экспериментальное исследование спектрального пре-»азования при взаимодействии сильной КВЧ ЭМ-волны 8-миллимат-юго диапазона с системой тонких параллельных полупроводнико-: элементов в E-плоскости прямоугольного волновода. При этом специально собранной установке, включающей развязывающий фер-овый вентиль на высокие уровни КВЧ-мощности типа ФВ-I, источ-: импульсного постоянного напряжения, синхронизированный с магроном МИ-88 и запредельную волноводную секцию (переход с вол-одного канала 7,2*3,4 ммгна канал 3,6*1,8 ¡цр) обеспечивалось ерение интегральной прошедией КВЧ-мощности на ВГС входного нала и далее после прохождения ЗМ сигналом смесительной секции етвктирования качественно оценивался спектральный состав'КВЧ мощности.

Показано, что во всех вариантах размещения одного, двух

-Тб-

ч

и трех тонких полупроводниковых элементов в 3-плоскости волновод-ного тракта интегральная мощность на ЗГС при рассмотренных услови ях не превышает 2% прошедшей мощности.

Проведено сопоставление теоретических и экспериментальных ре зультатов по высшим временным гармоникам по мощности.

5 заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты состоят в следующем;

1. Решена электродинамическая задача по распространению элек тромагнитных волн в диэлектрическом волноводе с поперечно-неоднородным полупроводниковым элементом. Задача решена на основе специализированного алгоритма расчета. Исследованы условия, позволяю реализовать эффективное управление амплитудными характеристиками ЗМ-волны в коротковолновой области СВЧ и КВЧ-диапазонах.

2. Предложена конструкция диэлектрического волновода с тонки полупроводниковым элементом, позволяющая минимизировать суммарные потери ЗМ энергии в широкой полосе частот и коротковолновой облас ти СВЧ и КВЧ-диапазонах.

3. Теоретически показано, что тонкий полупроводниковый элемент на поверхности диэлектрического резонатора коротковолновой области СВЧ-диапазона позволяет регулировать добротность в широки пределах, а при подаче управляющего напряжения такой ДР позволяет реализовать перестраиваемый фильтр.

Теоретически исследованы характер и особенности отражения КВЧ ЗМ-волны от тонкого полупроводникового элемента в условиях ударной ионизации плазмы носителей заряда в полупроводнике постоя ным напряжением в поперечном магнитном поле с учетом поверхностно рекомбинации ионизированных носителей заряда.

5. Предложена методика расчета (на основе применения уравнен возбуждения электродинамических систем током) и проведены численные электродинамические расчеты (по специально составленной прогр ме) распространения сильной ЭМ-волны в металлическом прямоугольно волноводе с тонкими параллельными полупроводниковыми элементами

в Е-плоскости.

В частном предельном случае получено аналитическое решение для амплитуды сильной ЗМ-волны в обратных функциях в виде интегральной экспоненты.

Проведены численные расчеты структуры ЭМ-поля в указанной электродинамической системе в многомодовом режиме в приближении заданной поляризации.

6. Проведены численные расчеты амплитудных характеристик для волновода с тонкими полупроводниковыми элементами, в том числе п{ ударной ионизации плазмы носителей заряда в полупроводнике, обус

ленной одновременным действием импульсного постоянного напряже-и сильного ЭМ КВЧ поля. Теоретически исследованы условия, позво-щие реализовать насыщение мощности (выход амплитудных характе-гик на пологий участок) в широком динамическом диапазоне.

7. Проведено экспериментальное исследование распространения ьной ЭМ-волны в волноводе с тонкими полупроводниковыми элемен-и в Е-плоскости в широких пределах электрофизических параметров /проводниковой плазмы (материала и геометрии полупровод-эвого элемента и определены условия, позволяющие реализовать на-зние мощности.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований уложено и разработано ограничительное устройство на высокие уров-ямпульсной КВЧ-мощности, защищенное авторским свидетельством на 5ретение. В устройстве реализуется регулируемое постоянным напряжем и постоянным магнитныи полем взаимодействие сильной ЭМ КВЧ-1ы с системой небкольких тонких полупроводниковых элементов из

б в Е-плоскости прямоугольного волноводного тракта.

Лабораторный макет ограничительного устройства на основе тон-полупроводниковых элементов из1л£ё (размер вдоль широкой стен-золновода каждвГоэлементА; 100 мкм) в Е-плоскости волновода ка-1 7,2x3,мм при подаче импульсного постоянного напряжения«500 В золяет получить ограничения мощности на уровне 22-30 дБ в диапа-г изменения входного сигнала от 10 Вт до к кВт.. По совокупности шетров макет не уступает Р1Н -диодным аналогам.

9. Получены аналитические соотношения для амплитуд временных юник плотности тока.в полупроводниковом элементе при спектраль-

преобразовании, обусловленном одновременным действием на плаз-юсителей заряда в полупроводнике импульсного постоянного элект-¡ского поля (напряженность Ер) и сильного КВЧ ЭМ-поля. Формулы 1ведливы при соотношении величин напряженности электрических по-Ед.> и получены в приближении безынерционного механизма сле-шия плотности тока в полупроводнике за напряженностью КВЧ ЭМ-по-Показано, что в рассмотренных условиях максимальная величина по плотности тока для плазмы носителей заряда в составляет , Проведено также численное моделирование спектрального прёобра-шия с применением феноменологической модели при нелинейном взаи-»йствии сильной ЭМ волны с плазмой носителей заряда в 1п5Ь.

10. Проведено-измерение интегральной мощности на ВГС и мощнос-1а 2-й временной гармонике при взаимодействии'сильной ЭМ-волны «лупроводниковами элементами \\ъ!пЗ& в Е-плоскости прямоуголь-| волновода канала сечением 7,2x3,4 мм?

Показано, что относительная величина интегральной мощное на ВГС /к мощности прошедшего сигнала/ не превышает в рассмо' ных условиях 2%.

Основные материалы диссертации изложены в работах: Г. Альтшулер Е.Ю. Расчёт распространения электромагнитны;': В1 в пространственно-неоднородных полупроводниковые волноведущи: структурах;//Всесоюзная научно-техническая конференция: Прое: тирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлект; ческих.волноводах и резонаторах. Тез. докладов.-Саратов.1983 С.106-10?.

2. Альтшулер Е.Ю., Кац Я.И., Попов В.В. Поверхностные элект; магнитные волны в полупроводниковых структурах и их применен: в технике СВЧ.'// Обзоры по электронной технике. Сер л. Элект; ника СВЧ.1933, вып.7/940/-60с.

3. Альтшулер Е.Ю., Чупис В.Н. Теоретический анализ распростр. ния мощной СВЧ-волны в полупроводниковой пЗгазме в условиях ; ной ионизации.//Межвузовский Научный сборник: Взаимодействие электромагнитная волн с полупроводниками и полупроводниково-электрическиш структурами и проблемы создания интегральных с;,ем.-Саратов. Саратовский университет. 1935. 4.2.-С.92.

4. Альтшулер Е.Ю. Численное моделирование распространения эл ромагнитных волн в слоисто-неоднородных полупроводниковых во

. ведущих системах.//Межвузовский научный сборник: Взаиподейст электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-лектрическими структурами и проблемы создания интегральных К схем.-Саратов.Саратовский университет.1985.Ч.2.-С.93.

5. Альтшулер Е.Ю., Лазерсон А.Г., Чупис В.Н. К расчёту взаии действия сильной электромагнитной волны с полупроводниковым ментом в волноводе. // 11 Всесоюзная конференция по электрок СВЧ. Тез.докладов.-Орджоникидзе /Владикавказ/. 1986.-С.

6. Альтшулер Е.Ю., Кац Л.И., Чупис В.Н. Эффект разности пот циалов при взаимодействии СВЧ-волн с ударно-ионизированной г проводниковой плазмой. //11 Всесоюзная конференция по электт к'В СВЧ. Тез .докладов.-Орджоникидзе /Владикавказ/. 1986.-С.3« 7. Авторское свидетельство на изобретете .'И393278 /СССР/.

, новод. /Альтшулер Е.Ю., Взятышев В.5., Кац-Л.И. / приоритет изобретения от 21 июня 1985 г. МКИ Н01РЗ/16 /ДСП/

8. Авторское свидетельство СССР № I39I409 от 22 декабря 1987 г. оритет изобретения от 16 февраля 1986 г. Ш1 Н01Р1/22.0граничи- . ь мощности /Альтшулер Е.й.,Кац Л.Й. .Сомов А.Ю. .Чупис В.Н./ДСЦ/.

9. Авторское свидетельство СССР на изобретение JS I39I306. ройство для измерения СВЧ-мощности. приоритет изобретения от шаля 1986 г. ЖИ G.0IR2I/00.Дад Л.И.,Чупис В.Н.,Альтшулер Е.Ю. П/.

0. Альтшулер Е.Ю. ,Кац Л.И.,Чупис В.Н. Расчет взаимодействия ктромаиштной волны с ударно-ионизированной плазмой тонкой упроводниковой пластины/ / Межвузовский научный сборник: Вза-действие электромагнитных волн с полупроводниками и полупровод-ово-диэлектрическими структурами и проблеш создания • интеграль-КВЧ-схем.- Саратов.Саратовский университет.1988.4.2.-С.153-

t

1. Альтшулер Е.Ю. ,Кац Л.И. Расчет дисперсии и структуры элект-агнитного поля в диэлектрическом волноводе с поперечно-неодно-ешм полупроводниковым элементом. // Всесоюзная научпо-техничес-

коаТеренция: Проектирование радиоэлектронных устройств на дк-ктрических волноводах и резонаторах. Тез.докладов.- Тбилиси. В.-С.188-189.

2. Альтшулер Е.Ю.,Кац Л.И..Лазерсон А.Г. Нелинейные электро-Ештные волны в волноводе с ударно-ионизированным полупроводники элементом. // Доклады Всесоюзного симпозиума: Волны и ди-ощя. M.I9SO. Т.З.- С.145-149.

3. Альтшулер Е.Ю.,Кац Л.И, Особенности распространения электро- • ■гатной волны в диэлектрическом'волноводе с тонком поперечно-щюродным полупроводниковыгл элементом. // Радиотехника и элект-яка.- I99I.T.36. Ж.-С.6-П.

Альтшулер Е.л,.,Кац Л.И.,Чупис В.Н. Отражение электромагнит-волны от тонкой полупроводниковой пластины с управляемой рной ионизацией концентрационной неоднородностью свободных отелей. // Радиотехника и электроника. - ISSI.-T.3S. В 12 / в ати,принято к опубликованию/.

з. Альтшулер Е.Ю..Духовников H.A.,Кац Л.И..Сомов А.Ю. Экспе-знтальное исследование взаимодействия сильной электромагнитной . 1Ы с тонкими полупроводниковые элементами в прямоугольном юводе. // Всесоюзная школа-семинар: Взаимодействие электро-1итных волн с твердым телом. Тез.докладов.-Саратов. Саратовский

университет.1991.- С.28.

16. Альтшулер Е.Ю., Спектральное преобразование при взаим действии сильной электромагнитной волны с плазмой носителей ряда в полупроводниках.// Всесоюзная школа-семинар: Взаимоде ствие электромагнитных волн с твердым телом.Тез.докладов.-Са тов.Саратовский университет.1991.С.24—25

Ответственный за выпуск д.т.н.,профессор Калинин Ю.А. Подписано к печати 26.08.91 г.

Объем 1.0 печ.л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Зах./Ы^-^ Ротапринт НИИ "Волна", г.Саратов