Вплив структури контактів на характеристики приладів надвисоких частот та пристроїв на їхній основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

УДК 621.385.12

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВПЛИВ СТРУКТУРИ КОНТАКТІВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПРИЛАДІВ НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ ТА ПРИСТРОЇВ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ

Кременецька Яна Адольфівна

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор, лауреат Державної премії України Чайка Георгій Євгенович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, професор кафедри радіотехнологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії СРСР Семенко Анатолій Іларіонович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

професор кафедри телекомунікаційних систем кандидат технічних наук, лауреат Державної премії України Карушкін Микола Федорович, ДП НДІ „Оріон”, начальник відділу

Захист відбудеться 19.06. 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Мінтрансзв'язку України за адресою: 03110, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий 16.05. 2008 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01, д.т.н., доц. Н. І. Кунах

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

напівпровідниковий прилад діапазон

Актуальність теми. На даний час техніка міліметрових і субміліметрових радіохвиль перестала бути вузькоспеціальною областю та все більше проникає в повсякденне життя. Це обумовлено, зокрема, ростом потреб людства в інформаційних системах, таких як багатоканальне телебачення, комп'ютерні мережі, радіомовлення та ін. Приймально-передавальні пристрої цих діапазонів хвиль забезпечують робочі смуги більше 1 ГГц, тобто на рівні сучасних високошвидкісних волоконно-оптичних систем і сумісні з ними в якості безпровідної частини лінії зв'язку в локальних інформаційних мережах. При зростаючих потребах у багатокористувальницьких системах радіозв'язку з'являються також все нові завдання, шляхи розв'язання яких можуть бути знайдені при використанні нових систем з широкосмуговими квазішумовими сигналами.

Міліметрові й субміліметрові хвилі успішно використовуються в телекомунікаційних системах, радарних системах для візуалізації об'єктів (у тому числі покритих оптично непрозорими матеріалами) та в інших областях техніки. Широкі можливості відкриваються для застосування техніки цих діапазонів у біології й медицині (КВЧ-терапія). У більшості застосувань потрібні рівні випромінювальної потужності в десятки мВт, що уможливлює застосування напівпровідникових приладів як джерел випромінювання. Крім того, завдяки малим розмірам і масі, високій надійності, низьковольтному живленню, сумісності з мікросмужковими хвилеводами та антенами, використання напівпровідникових приладів дозволяє створювати приймальні й передавальні пристрої у вигляді малогабаритних інтегральних схем. Сучасні малошумливі транзисторні підсилювачі при охолодженні порівнянні за чутливістю з надпровідниковими пристроями, а в неохолоджуваних приймачах вони не мають конкурентів. Разом з тим відомо, що параметри напівпровідникових приладів різко погіршуються з ростом частоти, особливо в області частот вище 100 ГГц.

На сьогоднішній час основними активними елементами малої й середньої потужності для генерації й підсилення коливань міліметрового діапазону довжин хвиль є ДГ і ЛПД. Однак з погляду підвищення частоти генерації в ДГ є серйозні фізичні обмеження, пов'язані з скінченністю часу розігріву електронів, необхідного для одержання енергії, достатньої для переходу електронів у верхню долину. Розв'язання проблеми полягає у використанні контактних структур не омічного типу, а високоомних контактів з наявністю низьколегованого шару на поверхні катода, або катода типу зворотно-зміщеного бар'єру БШ. У ЛПД немає фізичних обмежень для генерації коливань аж до субміліметрового діапазону довжин хвиль. Однак невелика величина негативного опору, що порівнянна з величиною омічного опору контакту, висуває особливі вимоги до структури контакту, який повинен мати максимально низький опір, особливо на високих частотах.

В останні роки для створення джерел коливань міліметрового й субміліметрового діапазонів досліджуються вакуумно-напівпровідникові структури з катодами вістрійного типу з автоелектронною емісією. Такі структури матричного типу дозволяють одержувати високі потужності (характерні для вакуумних приладів), але при відносно невисоких робочих напругах. У цьому випадку катод повинен мати по можливості малу роботу виходу. Однак такі діодні структури на основі автоелектронної емісії, не зважаючи на те, що гранична частота існування негативного опору може перевищувати 1000 ГГц, мають, по-перше, малі значення негативної провідності та, по-друге, в реальних структурах не можуть перекривати діапазон 100-1000 ГГц. Тріодні структури через велику ємність катод-сітка обмежені частотою порядку 200 ГГц.

Отже, можливим розв'язанням задачі забезпечення генерації коливань у вакуумно-напівпровідникових структурах у діапазоні 100-1000 ГГц є використання в якості катоду p-n-перехід або резонансної квантової ями. Такі структури можуть бути як вістрійні, так і плоскі, оскільки емісія не обов'язково є автоелектронною, а забезпечується керованим лавинним пробоєм (катод типу p-n-переходу), або резонансним тунелюванням (катод типу квантової ями). Унаслідок затримки емісії в катодній частині можна забезпечити зсув максимуму наведеного струму відносно максимуму прикладеної напруги на половину періоду високочастотних коливань, що забезпечує появу негативної динамічної провідності. Тому з'явилася необхідність проаналізувати фізичні явища, що обмежують застосування напівпровідникових приладів у міліметровому й субміліметровому діапазонах, та продовжити вивчення можливих шляхів подолання цих обмежень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках теми:

«Дослідження можливостей одержання генерації, підсилення та помноження електромагнітних коливань на гіпервисоких частотах (100-1000 ГГц) та створення відеоімпульсів субнаносекундної тривалості в структурах на основі матричних вістрійних катодів з резонансним багатошаровим алмазоподібним покриттям і з керованим лавинним пробоєм», номер держреєстрації 0104U009575.

Метою роботи є:

1.Визначення впливу структури контакту на характеристики НВЧ приладів міліметрового діапазону довжин хвиль.

2.Отримання методів розрахунку НВЧ пристроїв міліметрового й субміліметрового діапазонів з урахуванням особливостей структури контактів.

3.Знаходження шляхів створення нових типів НВЧ пристроїв.

Об'єкт дослідження: розподіл потенціалу в контактних структурах, залежність струму емісії від прикладеної напруги для різних діодних контактних структур, широкосмугове перестроювання частоти, стабільність частоти в діапазоні 100-1000 ГГц, генерація шумових коливань.

Предмет дослідження: плоскі й вістрійні кремнієві катоди у виді зворотно-зміщеного p-n-переходу в режимі керованого лавинного пробою; катоди у виді резонансно-квантової ями на основі бар'єрної напівпровідникової структури Al_xGa_1-xAs/GaAs і з вакуумним проміжком; типові конструкції та пристрої генераторів, підсилювачів міліметрового й субміліметрового діапазонів на основі ЛПД і ДГ.

Методи дослідження. Методами теорії звичайних диференціальних рівнянь та в частинних похідних (Пуассона, Лапласа), апроксимації, малосигнального частотного аналізу, математичного моделювання (система MathCAD): проаналізовано ВАХ неоднорідностей контакту БШ, частотні залежності активної складової провідності ДГ та ЛПД; розроблено моделі діодних структур, на основі яких розраховано можливості генерації коливань в діапазоні 100-1000 ГГц.

Методами теорії випадкових процесів, спектрального аналізу, евристичними методами пошуку знайдено схеми генератора стохастичних коливань, генератора відеоімпульсів, генератора-синтезатора сітки частот на основі ЛПД і ДГ.

Експериментальними методами дослідження в запропонованій схемі отримано генерації стохастичних коливань, в розрахованій моделі діодної структури на основі керованого лавинного пробою отримано генерації коливань у міліметровому діапазоні.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Досліджено особливості типів контактів для діодних активних елементів та отримані вимоги до контактів в залежності від робочої частоти.

2. Запропоновано нові шляхи створення генераторів шуму і генераторів-синтезаторів сітки частот різного призначення у НВЧ діапазоні.

3. Вперше представлені результати досліджень (методом математичного моделювання) можливостей одержання генерації коливань у діапазоні 100-1000 ГГц у вакуумно-напівпровідникових діодах на основі плоских і вістрійних катодів у виді зворотно-зміщеного p-n-переходу в режимі керованого лавинного пробою та катодів у виді резонансно-квантової ями.

4. Показано, що шляхом вибору параметрів структури контакту вакуумно-напівпровідникових діодів стає можливим електронне перестроювання частоти у вузькому інтервалі.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в наступному.

Розроблено методику інженерного розрахунку стабілізованих НВЧ пристроїв на основі ДГ і ЛПД, що враховує особливості контактних структур.

Запропоновано схеми побудови і характеристики генераторів шумових (у тому числі стохастичних) коливань, генераторів відеоімпульсів субнаносекундної тривалості, генераторів-синтезаторів сітки частот.

Показано можливість одержання генерації коливань у діапазоні 100-1000 ГГц у вакуумно-напівпровідникових діодах з катодом у виді зворотно-зміщеного p-n-переходу в режимі керованого лавинного пробою. Показано, що залежно від параметрів структури катода можливе електронне перестроювання частоти у вузькому діапазоні. Розрахунки показали, що реальні ККД можуть бути до 10%.

Показано можливість одержання генерації в діодах з катодом типу резонансно-квантової ями в діапазоні 100-1000 ГГц залежно від бар'єрної напівпровідникової структури Al_xGa_1-xAs/GaAs і з вакуумним проміжком. Показано можливість керування оптимальною частотою існування негативної провідності залежно від структури ями. Розраховані ККД становлять 1-3%.

Результати дисертаційної роботи були впроваджені в ДП НДІ «Оріон» у розробку приймально-передавального модуля на основі помножувача частоти великої кратності (20 разів) на основі керованого пробою на частоті 140 ГГц та інтерферометра-гетеродина на частоті 280 ГГц (Акт впровадження від 12.05.2007 р.). Результати дисертаційної роботи також використані в навчальному процесі при дипломному та курсовому проектуванні у Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій з напряму «Радіотехніка» (Акт впровадження від 07.05.2007 р.)).

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні математичних розрахунків за проблемами, які розглядаються у даній роботі, інтерпретації одержаних результатів та у формуванні висновків. В опублікованих роботах у співавторстві здобувачеві належить наступні результати:

– аналіз математичних моделей пристроїв на основі ДГ, ЛПД і вакуумно-напівпровідникових структур з катодами вістрійного типу на основі автоелектронної емісії та вимог до структури контактів - у роботі [1];

– аналіз впливу зовнішніх факторів на характеристики БШ та впливу неоднорідностей контактів з БШ на силу надлишкового струму - в роботах [2, 12];

– аналіз впливу електронних неоднорідностей на електронні та оптичні системи - в роботах [4, 13];

– розрахунок ВАХ неоднорідних БШ, вістрійних катодів - у роботах [5, 11];

– розробка методики інженерного розрахунку діодних генераторів НВЧ діапазону з урахуванням структури контакту - в роботах [6, 7];

– аналіз спектральної щільності потужності шуму генераторів білого шума та стохастичних коливань на основі ЛПД з робочою частотою вище 100 ГГц - у роботі [9];

– розробка схем синтезатора-генератора сітки частот з низьким рівнем частотно-модульованих шумів і швидким дискретним перемиканням частоти, генератора відеоімпульсів субнаносекундної тривалості,- в роботах [16] та [1] відповідно;

– розробка математичних моделей напівпровідникових та вакуумно-напівпровідникових діодних структур (в тому числі вістрійних) - у роботах [3, 8, 10, 14, 15, 17].

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на: міжнародній науково-технічній конференції «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры» (Севастополь, 2002), дев'ятій міжнародній конференції «Физика и технология тонких пленок» (Івано-Франківськ, 2003), п'ятій міжнародній науково-технічній конференції «Современнные информационные и электронные технологии» (Одеса, 2004), першій міжнародній науково-технічній конференції «CONIFO`2005» (Київ, 2005), другій міжнародній науково-технічній конференції «CONIFO`2006» (Київ, 2006), сьомому міжнародному російсько-українському семінарі «Нанофизика и наноэлектроника» (Санкт-Петербург, 2006), науково-технічній конференції «Проблеми телекомунікацій» (Київ, 2007).

Публікації по роботі. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 статей у провідних спеціалізованих журналах, 7 у збірниках праць міжнародних наукових конференцій, 1 монографія.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг складає 135 сторінок, у тому числі 50 рисунків, 94 використаних джерела, 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дана загальна характеристика роботи, визначена актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі, наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність та апробацію результатів дисертації, публікацію матеріалів дисертації та впровадження результатів роботи.

У першому розділі були вивчені результати розрахунків характеристик ДГ, ЛПД і вакуумно-напівпровідникових діодів міліметрового діапазону довжин хвиль. Проведений аналіз літературних даних показує, що для ДГ з підвищенням частоти й переходом у міліметровий діапазон довжин хвиль починає виявлятися ряд фізичних процесів, які призводять до зниження ККД приладу. Проведений аналіз характеристик ЛПД показує, що зростання густини робочого струму (пропорційне квадрату частоти), створює на високих частотах напружений тепловий режим. Діодні вакуумно-напівпровідникові структури з автоелектронною емісією з реальними пролітними відстанями (порядку 1 мкм) можуть забезпечити генерацію в діапазоні до 1000 ГГц, але при малому ККД. В аналогічних тріодних структурах (особливо при нанесенні сітки безпосередньо на алмазоподібну плівку на поверхні катоду) теоретично можливо одержати підсилення й генерацію коливань у широкому діапазоні частоти (100-1000 ГГц). Однак велика величина ємності катод-сітки шунтує вхідний сигнал, що обмежує реальну величину підсилення й генерації в межах до 100-200 ГГц.

Тому для одержання ефективної генерації й посилення в діапазоні 100-1000 ГГц необхідно використовувати нестандартні катодні структури, наприклад, катод типу резонансної квантової ями або катод у вигляді зворотно-зміщеного p-n-переходу. Ці структури дозволяють затримати емісію струму відносно максимуму прикладеної змінної напруги й залежно від структури катодного контакту одержати ефективну НП у широкому діапазоні частот. Такі структури можуть бути як плоскими, так і матрично вістрійними. Таким чином, ефективність НВЧ структур у міліметровому й субміліметровому діапазонах у значній мірі залежить від структури контакту.

У другому розділі розглянуто особливості різних типів контактів. Показано, що омічні контакти до кремнієвих діодів міліметрового й субміліметрового діапазонів доцільно створювати на основі силіциду палладія та титану, оксиду цинку. Результати моделювання контактів при концентрації основних носіїв у кремнії

10¹⁹ см^-3 добре погоджуються з експериментальними даними контактного опору на основі металізації Ti₂B-Au TiN-Au. Розрахункова модель для контакту Pd₂Si при концентрації основних носіїв заряду в кремнії 10²⁰ см^-3 добре погоджуються з параметрами на основі металізації Pd₂Si-Au Pd₂Si-TiN-Au.

Проаналізовано особливості ВАХ для плоских неоднорідностей контакту в БШ у вигляді періодичних включень, неоднорідностей у виді клина, неоднорідностей у виді конуса, неоднорідностей, пов'язаних з особливостями зародження й росту металевого конденсату.

У третьому розділі розроблено апроксимації імпедансних характеристик ДГ і ЛПД. Ці апроксимації враховують зміни характеристик і вимоги до структури кристала, зокрема, контакту при змінюванні частоти, що дозволяє використовувати їх у широкому діапазоні частот. Як у ДГ, так й у ЛПД частотна залежність активної складової провідності являє собою параболу з вершиною поблизу частоти прольоту (при цьому частота прольоту зміщається в низькі частоти при збільшенні змінної напруги). Амплітудна залежність активної складової провідності має вигляд спадаючої параболи з максимумом при нульовому змінному сигналі (рис.1).

Рис.1. Залежності активної складової провідності кремнієвого ЛПД від густини струму, розраховані безпосередньо для частоти 35 ГГц (криві 1,2) і перераховані по методу подібності із частоти 100 ГГц (криві 1а, 2а).

Залежно від частоти відносно пролітної, крутість падіння параболи змінюється. Крутість падіння збільшується на частотах вище пролітної й зменшується на частотах нижче пролітної. У деяких структурах ДГ при невеликих змінних сигналах можливо навіть наростання НП при збільшенні сигналу.

Відповідно до чисельних розрахунків в ДГ передбачається, що в міліметровому діапазоні (аж до частот порядку 50 ГГц) катодний контакт має бути високоомним у міру збільшення частоти. Розглядаються також апроксимації ДГ, що працюють у режимі струмової нестійкості (). Це дозволяє моделювати характеристики ДГ у широкому діапазоні частот.

Реактивна складова провідності як ДГ, так і ЛПД складається з «холодної», чисто геометричної складової й динамічної добавки, пов'язаної з високочастотними процесами. У ДГ ця добавка дорівнює нулю поблизу частоти прольоту, має невелике значення нижче частоти прольоту і має різко зростаючий ємнісний характер вище частоти прольоту. Таким чином, на нижній границі області НП ДГ поводиться як активний опір, а на верхній границі як ємність. У ЛПД реактивна складова має паралельний резонанс на частоті лавини (нижня границя області НП) і ємнісний характер в області НП. При цьому реактивна складова в середині області НП у кілька разів перевищує активну. На основі запропонованих апроксимацій імпедансних характеристик розглянута можливість розрахунку стабілізованих генераторів, генераторів з варакторною перестройкою й підсилювачів. Розрахунки показали, що для стабілізованих по частоті генераторів ДГ необхідні контакти, відповідні максимуму ККД для даного частотного діапазону, а для широкосмугових генераторів з варакторною перестройкою й підсилювачів необхідно забезпечення максимальної широкосмуговості омічних контактів (навіть за рахунок зниження ККД).

У четвертому розділі розглянуто схеми побудови та характеристики генераторів-синтезаторів сітки частот, генераторів шумових (у тому числі стохастичних) коливань, генераторів відеоімпульсів субнаносекундної тривалості.

У найпростішому випадку схема генератора-синтезатора сітки частот включає опорний кварцовий генератор сітки частот, ГКН на основі ДГ і частотний дискримінатор. Для усунення шумів множення частоти кварцового генератора в роботі запропонований поліпшений пристрій (рис.2), основними функціональними елементами якого є: кварцовий генератор сітки частот (10 МГц); генератор опорного сигналу НВЧ діапазону з рівнем ЧМ шумів; ГКН з кодованою частотою сигналу; фазовий детектор, який забезпечує синхронізацію ГКН із сіткою частот.

Схема дозволяє кодовано керувати частотою в межах імпульсу 10-15%. Шуми синтезатора практично визначаються характеристиками опорного генератора. Стабільність частоти визначається також стабільністю частоти опорного генератора.

Дослідження показали, що на основі ЛПД можуть бути розроблені генератори білого шуму в широкій смузі частот зі СЩПШ порядку 15-20 дБ (нормованої до величини Дж), при роботі нижче й вище лавинної частоти. СЩПШ генераторів шуму (ГШ) на ЛПД нормована до розраховувалася за формулою:

,(1)

де q - заряд електрона, - опір навантаження, , - ємність й опір діода, ? - час прольоту електронів через запірний шар, - відношення ширини зони множення й запірного шару, - робочий струм, - характеристична частота (для ЛПД на Si із прикладеною напругою 20 В при діаметрі p-n-переходу, що дорівнює 10 мкм, та =30 мА, ГГц),

,

,

,

.

В І-му режимі (нижче лавинної частоти), використовуючи генератор на основі ЛПД, що працює у короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль, можна створити генератори білого шуму, що працюють у широкій смузі частот. В ІІ-му режимі (поблизу лавинної частоти) можуть бути створені генератори шуму в діапазоні 20 ГГц зі смугою порядку 5% і рівнем шуму порядку 20 дБ. В ІІІ-му режимі (вище лавинної частоти) рівень шуму знову спадає, однак у цій області можна одержати посилення шуму на негативній провідності діода, що дозволяє створити генератори білого шуму в довгохвильовій частині міліметрового діапазону зі смугою до 10% і рівнем шуму до 15дБ.

Було показано, що генератори стохастичних коливань (так званого «сірого» шуму зі СЩРШ порядку 80-100 дБ від kТ₀) можуть бути розроблені в режимі роботи генераторів на основі ЛПД у режимі генерації, якщо зовнішня електродинамічна система містить два резонатори, близькі за частотою із власною частотою ЛПД (лавинною частотою).

Еквівалентна схема такого пристрою наведена на рис. 4.

У цьому випадку в системі почнеться биття з різною частотою. Повна напруга на діоді сильно змінюватиметься й відповідно буде змінюватись струм лавини, що, у свою чергу, призводить до змінювання лавинної частоти й власної реактивності кристала. Резонансна частота також залежить від густини струму й у робочому режимі за наявності биття змінюється від періоду до періоду, що й призводить до стохастизації коливань.

Найпотужнішими за піковою потужністю генератори відеоімпульсів субнаносекундної тривалості можуть бути створені на основі неодим-рубінових лазерів з керованою добротністю (рис.5), що випромінюють тільки в короткочасний інтервал, коли добротність резонаторної системи велика.

В інший час умови порушення не виконуються і відбувається нагромадження атомів на метастабільному рівні. При достатньому рівні накачування на метастабільному рівні можна нагромадити всі атоми активної речовини. При збільшенні добротності відбувається випромінювання короткого імпульсу світла порядку декількох періодів коливань, а не цугу малопотужних імпульсів, як у звичайному резонаторі. Промінь від неодим-рубінового лазера з керованою добротністю спрямовується на потужний p-i-n-діод і збуджує в останньому імпульс струму з коротким переднім фронтом. Струм збуджує в лінії передачі хвилі, одна з яких направляється убік навантаження, а інша - у зворотному напрямку. На відстані l від p-i-n-діода включений опір R>>Z₀. Хвиля направляється до цього навантаження, відбивається від опору із втратою фази р, повертаючись до p-i-n-діода, додається до хвилі навантаження. Відбита хвиля створює короткий імпульс тривалістю ф = 2l/х, де х - швидкість хвилі в лінії. Тривалість такого імпульсу

10^-11 - 10^-12 с, а пікова потужність випромінювання - 1 ГВт.

В п'ятому розділі досліджуються вакуумно-напівпровідникові структури. Раніше зазначалося, що діодні структури на основі автоелектронної емісії, незважаючи на те, що гранична частота існування негативного опору може перевищувати 1000 ГГц, мають малі значення НП і в реальних структурах не можуть перекривати діапазон у 100-1000 ГГц. Показано, що для забезпечення роботи в діапазоні 100-1000 ГГц доцільно використовувати два типи структур:

1) з катодом на основі керованого лавинного пробою (типу ЛПД-Ріда, але з вакуумною ділянкою дрейфу);

2) з катодом типу резонансної квантової ями й також з вакуумною ділянкою дрейфу.

Структура з катодом на основі керованого лавинного пробою в цьому випадку має вигляд, представлений на рис.6.

При подачі на таку структуру зворотно зміщеної напруги, близької або трохи більшої за напругу пробою, в області p-n-переходу починається утворення лавини. Цей процес не миттєвий, а управляється величиною повного струму (напруги на діоді). Якщо величина напруги на p-n-ділянці перевищує величину роботи виходу напівпровідник-вакуум, то електрони вільно вилітають у вакуум. Затримка формування й вильоту електронів з напівпровідника у вакуум визначається часом формування лавини й управляється напругою на аноді. Зниження цієї напруги й збільшення часу формування лавини спричиняє зменшення швидкості емісії електронів у вакуум, що призводить до зрушення негативної динамічної провідності діода вниз по частотному діапазону. Таким чином, показана можливість керування негативною динамічною провідністю в досить широкому діапазоні частот.

Значення повного струму визначається рівнянням:

,(2),

де - коефіцієнт іонізації, (для кремнію , , ), - струм насичення, W_a й ф_a - ширина зони множення й час прольоту електрона зони множення.

У випадку вістрійної структури діода (рис.6) приймається, що гіперболічні вістря мають еквіпотенціальну поверхню. Для системи співфокусних гіперболоїдів обертання (гіперболоїд обертання відносно вісі х, утворений обертанням біля цієї осі кожної з гілок гіперболи

=1)

максимальна напруженість поля буде на вершині гіперболоїда:

.(3)

Часові залежності напруги й лавинного струму для різних структур на частоті генерації коливань Гц представлені на рис. 7.

Напруга на аноді , - відношення змінної й постійної складових змінної напруги .

Схематично енергетична діаграма напівпровідникової структури Al_xGa_1-xAs/GaAs з катодом типу резонансної квантової ями за відсутності прикладеної зовнішньої напруги має вигляд, представлений на рис. 8а.

При подачі на структуру прямого зсуву, коли резонансний рівень () виявляється нижче рівня Фермі F, але вище дна забороненої зони лівої (катодної) частини, через структуру йде струм (рис. 8б). Тому вольт-амперна характеристика такої структури має N-подібний вигляд (рис. 8г), що свідчить про наявність у такій структурі негативної диференціальної провідності. Енергетична діаграма бар'єрної напівпровідникової структури з вакуумним проміжком з катодом типу резонансної квантової ями має вигляд, представлений на рис.8в.

Резонансні рівні стають метастабільними - час життя на них визначається структурою квантової ями. Відповідно, струм уже не є миттєвою функцією напруги, а йде із запізнюванням, обумовленим часом життя на метастабільному рівні. Густина струму через такі бар'єрні структуру розраховується за формулою:

, (4)

де - ефективна маса електрона, 2рh - постійна Планка, - проникність бар'єрної структури, е - енергія тунелюючого електрона (для спрощення розрахунків приймається поперечна складова енергії електрона, а форма потенціальних бар'єрів - прямокутна та трикутна).

Проникність бар'єрної структури визначається виразом:

,(5)

де , - проникності бар'єрів, - час прольоту електрона, - ширина ями, - швидкість поперечного руху електрона на -му резонансному рівні, - резонансний рівень енергії електрону, - час релаксації ( с при Т=300 К), Г - ширина резонансного рівня.

,

де розширення , пов'язане із середнім часом життя електрона на метастабільному рівні, , розширення .

Часові залежності рівня енергії тунелюючого електрона відносно дна зони провідності катодного шару GaAs і наведеного струму на частоті генерації коливань , 1000 ГГц для параметрів різних структур, і відповідні ККД () представлені на рис. 9-11.

Залежно від структури ями (тобто часу затримки електрона) такі структури можуть бути використані для генерації коливань у широкому діапазоні частот 100-1000 ГГц.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі досліджений вплив структури контакту на характеристики НВЧ приладів і пристроїв на їхній основі. За допомогою теоретичних досліджень, математичного моделювання контактних діодних структур та експериментальних досліджень знайдені можливості генерації електромагнітних коливань на частоті 100-1000 ГГц і шляхи створення нових типів НВЧ пристроїв. Підсумовуючи результати досліджень, можна зробити наступні висновки.

1. Проведено аналіз математичних моделей пристроїв на основі ДГ, ЛПД, вакуумно-напівпровідникових структур з катодом на основі автоелектронної емісії. Показано, що для ДГ у сантиметровому діапазоні довжин хвиль переважними є структури з омічними контактами, а в міліметровому діапазоні довжин хвиль необхідно створювати контакти з високоомним шаром поблизу катоду. ЛПД у всіх діапазонах повинні мати низькоомні контакти, вимоги до яких зростають зі збільшенням робочої частоти. Омічні контакти для кремнієвих ЛПД, як показано на основі теоретичних розрахунків та експериментальних даних, відомих з літератури, доцільно створювати на основі силіцидів палладія, титана й оксиду цинку.

Вакуумно-напівпровідникові структури з автоелектронною емісією повинні мати контакти з малою роботою виходу (наприклад, контакти з напилюванням алмазоподібної плівки). Однак такі діодні структури з реальними пролітними відстанями (порядку 1 мкм) можуть забезпечити генерацію тільки в діапазоні вище 1000 ГГц і при малому коефіцієнті корисної дії. Тріодні структури з катодом, вкритим алмазоподібною плівкою й напилюванням сітки безпосередньо на алмазоподібную плівку, ефективні, але через велику величину ємності катод-сітка їхня гранична частота обмежена порядком 200 ГГц.

2. Розраховані ВАХ плоских неоднорідностей контактів із БШ у вигляді включень, неоднорідностей у вигляді конуса на поверхні напівпровідника (збагаченого й збідненого електронами) у контакті з однорідною плівкою металу й металевими «острівковими» включеннями. Показано, що густина струму через контакт МП залежить від розмірів неоднорідностей (висоти й кута розкриву конуса, розмірів зерен металу на поверхні напівпровідника). Зокрема, для малих кутів розкриву конуса значення потенціалу на вістрі значно більше, ніж у плоскому випадку, що призводить до різкого зростання тунельної складової струму.

3. Запропоновано апроксимації імпедансних характеристик ДГ і ЛПД з врахуванням зміни структури кристалу, зокрема контакту, при змінюванні частоти, що дозволяє використовувати їх у широкому діапазоні частот. Для ДГ апроксимація враховує розходження у виборі структури кристала й режиму роботи для генераторних і підсилювальних діодів, а також необхідність зміни структури кристалів при збільшенні частоти. Для ЛПД апроксимації імпедансних характеристик необхідно враховувати, що при змінюванні частоти змінюється негативний опір робочої області кристала відносно омічного опору контакту.

4. Запропоновано поліпшену схему синтезатора-генератора сітки частот з низьким рівнем частотно-модульованих шумів і швидким дискретним перемиканням частоти, що включає генератор сітки частот на основі кварцового генератора, опорний стабілізований генератор на ДГ, змішувач, частотний дискримінатор й генератор ДГ кодовано керований напругою.

5. Дослідження показали, що на основі ЛПД можуть бути розроблені генератори «білого» шуму в широкій смузі частот зі СЩПШ порядку 15 дБ (приведеною до kТ₀) при роботі нижче й вище лавинної частоти. Генератори стохастичних коливань (так називаного «сірого» шуму зі СЩПШ порядку 80-100 дБ приведеною до kТ₀) в широкій смузі частот можуть бути розроблені в режимі роботи генераторів на основі ЛПД у режимі генерації, якщо зовнішня електродинамічна система містить два резонатори, близькі за частотою із власною частотою ЛПД (лавинною частотою). Ширина смуги шуму таких генераторів як теоретично, так й експериментально може досягати ширини смуги хвилеводу (60%). Показано, що більш високі рівні пікової потужності генераторів відеоімпульсів субнаносекундної тривалості досягаються в схемах із застосуванням ЛПД досить великої потужності (L25 мкм N_d = 10¹⁵ см^-3).

6. Розроблено математичну модель вакуумно-напівпровідникового діода з катодом на основі Si у вигляді зворотно-зміщеного p-n-переходу в режимі керованого лавинного пробою. На основі цієї моделі показано можливість генерації коливань в міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль аж до 1000 ГГц шляхом вибору структури кристала та забезпечення електронного перестроювання частоти у вузькому діапазоні.

7. Показано, що структури з вістрійним катодом дозволяють істотно знизити анодну напругу, а також уможливлюють і надбар'єрну емісію електронів. При цьому затримка вильоту електронів становить половину періоду прикладеної напруги.

8. Показано можливість генерації коливань у діапазоні 100-1000 ГГц у діодах з катодом у вигляді резонансно-квантової ями. Залежно від бар'єрної структури Al_xGa_1-xAs/GaAs (і з вакуумним проміжком) як із плоским, так і з вістрійним катодом можливе керування оптимальною частотою існування негативної провідності (за рахунок зміни часу життя електрона на метастабільному рівні).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Электронные и квантовые приборы СВЧ и устройства на их основе: [монография] / В. Л. Булгач, Я. А. Кременецкая, П. В. Слободянюк, В. Є. Чайка. - Нежин : ООО «Видавництво «Аспект-Поліграф», 2006. - 136 с.

2. Бадия В. А. Влияние неоднородности контакта Шоттки на силу избыточного тока через контакт / В. А. Бадия, Я. А. Кременецкая, Г. Е. Чайка // Зв'язок. - 2003. - № 4. - С. 66-67.

3. Кременецкая Я. А. Резонансно-туннельные диоды при больших напряжениях смещения / Я. А. Кременецкая, В. Е. Чайка, Г. Е. Чайка // Зв'язок. - 2004. - № 1. - С. 60-62.

4. Кременецкая Я. А. Расчет полей в приповерхностной области кристаллов с электрически активными примесями / Я. А. Кременецкая // Электроника и связь тематический выпуск «Проблемы электроники». - Ч. 1. - 2005. - С. 141-143.

5. Чайка Г. Е. Прохождение тока через неоднородный барьер Шоттки, сформированный на микрорельефных поверхностях / Я. А. Кременецкая, Г. Е. Чайка // Электроника и связь : тематический выпуск «Проблемы электроники». - Ч. 2.- 2005. - С. 72-75.

6. Кременецкая Я. А. Аналитические методы расчета генераторов и усилителей СВЧ-диапазона на основе диодных активных элементов / Я. А. Кременецкая, В. Е. Чайка, Г. Е. Чайка // Зв'язок. - 2005. - № 7. - C. 60-64.

7. Кременецкая Я. А. Расчет импедансных характеристик диодов Ганна и лавинно-пролетных диодов / Я. А. Кременецкая, В. Е. Чайка, Г. Е. Чайка // Зв'язок. - 2005. - № 4. - С. 58-61.

8. Вопросы расширения функциональных возможностей ЛПД коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн / А. В. Зоренко, В. Е. Чайка., Д. А. Соловьев, Я. А. Кременецкая // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. - 2005. - Т. 3, № 3-4. - С. 155-158.

9. Генераторы шума на основе лавинно-пролетных диодов / В. Е. Чайка., Н. С. Ижко, Я. А. Кременецкая, В. В. Валяев // Зв'язок. - 2006. - № 2. - С. 59-61.

10. Чайка В. Е. Генерация колебаний в диапазоне 100-1000 ГГц в вакуумно-полупроводниковых диодах с катодом в виде резонансно-квантовой ямы / В. Е. Чайка, Д. А. Соловьев, Я. А. Кременецкая // Зв'язок. - 2007. - № 2. - С. 64-67.

11. Вольтамперная характеристика острийных катодов / В.А. Бадия, В. Л. Булгач, Я. А. Кременецкая, Г. Е. Чайка // Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры: Междун. науч.-техн. конф. Севастополь, 7-15 сент. 2002 г. : труды конф. - М., 2003. - Т. 1. - С. 64-66.

12. Бадія В. А. Вплив зовнішніх факторів на характеристики бар'єрів Шотткі / В. А. Бадія, Я. А. Кременецька, Г. Є. Чайка // Фізика и технологія тонких плівок (МКФТТП-ІХ) : IX Міжнар. конф., 19-24 трав. 2003 р. : матеріали конф. - Івано-Франківськ, 2003. - Т. 1. - С. 73-74.

13. Чайка Г. Є. Вплив електронних неоднорідностей на електронні та оптичні системи / Г. Є. Чайка, М. І. Панфілов, Я. А. Кременецька // Современнные информационные и электронные технологи (СИЭТ-2004) : Пятая Междун. науч.-техн. конф., 17-21 мая 2004 г. : труды конф. - Одесса, 2004. - С. 203.

14. Исследование возможностей получения генерации колебаний в диапазоне 300-1000 ГГц в вакуумно-полупроводниковых диодах с катодом в виде p-n-перехода и резонансной квантовой ямы / В. Е. Чайка, А. В. Зоренко, В. И. Каневский, Я. А. Кременецкая, Д. А. Соловьев // Нанофизика и наноэлектроника : 7-й Междун. росс.-укр. сем., 17-19 июня 2006 р. : материалы сем. - Санкт-Петербург, 2006. - С. 83-84.

15. Чайка В. Е. Электронные приборы на основе автоэлектронной эмиссии / В. Е. Чайка, В. Л. Булгач, Я. А. Кременецкая // Сучасні інформаційно-комунікаційні технології : ІІ Міжнар. наук.-техн. конф. (CONIFO`2006), 8-14 жовт. 2006 р. : тези докл. - К., 2006. - С. 96-97.

16. Кременецкая Я. А. Синтезатор частот на основе генератора, управляемого напряжением, с низким уровнем шумов выходного сигнала / Я. А. Кременецкая, А. А. Манько, В. Е. Чайка // Проблеми телекомунікацій (ПТ-07) : Перша наук.-техн. конф., 25-27 квіт. 2007 р. : тези докл. - К., 2007. - С. 154-155.

17. Чайка В. Е. Генерация колебаний в диапазоне 100-1000 ГГц в вакуумно-полупроводниковых диодах с катодом в виде обратносмещенного р-n-перехода в режиме управляемого лавинного пробоя / В. Е. Чайка, Г. Е. Чайка, Я. А. Кременецкая // Проблеми телекомунікацій (ПТ-07) : Перша наук.-техн. конф., 25-27 квіт. 2007 р. : тези докл. - К., 2007. - С. 156-157.

АНОТАЦІЯ

Кременецька Я. А. Вплив структури контактів на характеристики приладів НВЧ та пристроїв на їхній основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено дослідженню характеристик пристроїв НВЧ в залежності від структури контактів діодних активних елементів та знаходженню вимог до них з підвищенням робочої частоти. Шляхом моделювання структури контактів знайдені можливості підвищення ефективності НВЧ приладів, генерації електромагнітних коливань у діапазоні 100-1000 ГГц і шляхи створення нових типів НВЧ пристроїв.

Запропоновано апроксимації імпедансних характеристик ДГ і ЛПД, які враховують розходження у виборі структури кристалу й режиму роботи для генераторних і підсилювальних діодів, а також необхідність зміни структури кристалів при збільшенні частоти.

Запропоновано схему синтезатора-генератора сітки частот на основі кварцового генератора та двох генераторів Ганна: опорного високостабілізованого та широкосмугового, що перестоюється керуючим сигналом.

Показано, що вакуумно-напівпровідникові діоди на основі Si з вістрійним катодом типу зворотно-зміщеного p-n-переходу та на основі Al_xGa_1-xAs/GaAs з катодом у вигляді резонансно-квантової ями дозволяють шляхом вибору структури кристалу (бар'єрної структури) одержати генерацію коливань практично в усьому субміліметровому діапазоні довжин хвиль та електронне перестроювання частоти у вузькому діапазоні.

Ключеві слова: структура контакту, омічний контакт, вістрійні катоди, зворотно-зміщений p-n-перехід, вакуумно-напівпровідникові структури, резонансно-тунельні структури, пристрої НВЧ.

АННОТАЦИЯ

Кременецкая Я.А. Влияние структуры контактов на характеристики приборов СВЧ и устройств на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию характеристик устройств СВЧ в зависимости от структуры контактов диодных активных элементов и нахождению требований к ним с повышением рабочей частоты. Путем моделирования структуры контактов найдены возможности повышения эффективности СВЧ приборов, генерации электромагнитных колебаний в диапазоне 100-1000 ГГц и пути создания новых типов СВЧ устройств.

На основе анализа математических моделей устройств на основе ДГ, ЛПД, полевых транзисторов с БШ, вакуумно-полупроводниковых структур с катодом на основе автоэлектронной эмиссии, показано, что для ДГ в сантиметровом диапазоне длин волн предпочтительней являются структуры с омическими контактами, а в миллиметровом диапазоне длин волн необходимо создавать контакты с высокоомным слоем у катода. ЛПД во всех диапазонах должны иметь низкоомные контакты, требования к которым возрастают с увеличением рабочей частоты.

Вакуумно-полупроводниковые структуры с автоэлектронной эмиссией должны иметь контакты с малой работой выхода (например, контакты с напылением алмазоподобной пленки). Однако такие диодные структуры с реальными пролетными расстояниями (порядка 1 мкм) могут обеспечить генерацию только в диапазоне выше 1000 ГГц и при малом коэффициенте полезного действия. Триодные структуры с катодом в виде алмазоподобной пленки и напылением сетки непосредственно на алмазоподобную пленку эффективны, но из-за большой величины емкости катод-сетка их предельная частота ограничена порядком 200 ГГц.

На основе теоретических расчетов и экспериментальных данных показано, что омические контакты для кремниевых ЛПД целесообразно создавать на основе силицидов палладия, титана и оксида цинка. Контакты для ДГ миллиметрового диапазона могут создаваться методом ионной или молекулярной имплантации (путем создания высокоомного слоя у катода). Рассчитаны ВАХ для контактов с плоскими неоднородностями, в виде конуса и клина с БШ.

Предложены аппроксимации импедансных характеристик ДГ и ЛПД, учитывающие различие в выборе структуры кристалла и режима работы для генераторных и усилительных диодов, а также необходимость изменения структуры кристаллов при увеличении частоты. Для генераторов на ДГ с электронной перестройкой частоты и усилителей в широкой полосе частот контакт вплоть до миллиметрового диапазона волн должен быть омическим. Для ЛПД аппроксимации импедансных характеристик необходимо учитывать, что при изменении частоты изменяется отрицательное сопротивление рабочей области кристалла относительно омического сопротивления контакта.

Предложена схема синтезатора-генератора сетки частот с низким уровнем частотно-модулированных шумов и быстрым дискретным переключением частоты, включающая генератор сетки частот на основе кварцевого генератора, опорного стабилизированного генератора на ДГ, смесителя, частотного дискриминатора и генератора ДГ, кодированного управляемого напряжением. Показано, что на основе ЛПД могут быть разработаны генераторы белого шума в широкой полосе частот со спектральной плотностью мощности шума (СПМШ) порядка 15 дБ от kT₀, при работе ниже и выше лавинной частоты, генераторы стохастических колебаний (СПМШ порядка 80-100 дБ от kT₀). Показано, что более высокие уровни пиковой мощности генераторов видеоимпульсов субнаносекундной длительности достигаются в схемах с применением ЛПД достаточно большой мощности (L25 мкм N_d = 10¹⁵ см^-3).

Разработана математическая модель вакуумно-полупроводникового диода с катодом на основе Si в виде обратносмещенного p-n-перехода в режиме управляемого лавинного пробоя. Показано, что вакуумно-полупроводниковый диод с катодом типа обратносмещенного p-n-перехода в режиме управляемого лавинного пробоя позволяет получить генерацию колебаний практически во всем субмиллиметровом диапазоне длин волн путем выбора структуры кристалла и электронную перестройку частоты в узком диапазоне.

Выполнено моделирование диодной структуры с катодом в виде резонансно-квантовой ямы. Показано, что в зависимости от барьерной структуры Al_xGa_1-xAs/ GaAs (и с вакуумным промежутком) возможна генерация колебаний в диапазоне 100-1000 ГГц и управление оптимальной частотой отрицательной проводимости (за счет изменения времени жизни электрона на метастабильном уровне).

Ключевые слова: структура контакта, омический контакт, обратносмещенный p-n-переход, резонансно-туннельные структуры, вакуумно-полупроводниковые структуры, острийные катоды, устройства СВЧ.

SUMMARY

Kremenetskaya Y.A. The influence of structure of contacts on the characteristics of Microwave devices and Microwave transmitters. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.12.13 - radio engineering devices and tools of telecommunications. - State University of Information and Communication Technologies, Kyiv, 2008.

The thesis is devoted to the research of the influence of diode contacts structure on the characteristics of Microwave transmitters and Microwave devices. By means of contacts structure design we can increase the effectiveness of Microwave devices, generation of electromagnetic oscillations in the range of 100-1000 GHz and ways of creation of the new types of Microwave transmitters.

The approximation of impedance characteristics of Gann diode and IMPATT diode, which take into account the difference in choosing the structure of the crystal and conditions for generator and amplifier diodes is offered in this work.

The plan of synthesizer-generator of the net of frequencies based on quartz generator and two generators on Gann diode: supporting high-stabilized and broad-bar reorganized generators is proposed in this summary.

The vacuum-semiconductor diodes is based on Si with pointed cathode in the form of breakdown p-n Junction and based on A1_xGa_1-xAs/GaAs (with vacuum gap) with cathode in the form of resonant-quantum pit allows to get the generation of oscillations almost in the whole submillimitre range of wavelength by means of the selection the crystal structure (barrier structure), and electron reorganization of the frequency in the narrow waveband.

Key words: contact structure, ohmic contact, breakdown p-n Junction, resonant-tunneling structure, vacuum-semiconductor structure, pointed cathode, Microwave transmitter.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ДГ- діод Ганна;

ЛПД - лавинно-пролітний діод;

БШ - бар'єр Шотткі;

НВЧ - надвисокі частоти;

НП - негативна провідність;

ККД - коефіцієнт корисної дії;

ВАХ - вольт-амперна характеристика;

ГКН - генератор, керований напругою;

СЩПШ - спектральна щільність потужності шуму.

Размещено на Allbest.ru