Исследование особенностей взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами в схемах СВЧ

К числу современных направлений, развивающихся на стыке физики полупроводников и радиофизики, можно отнести исследования взаимодействия электромагнитных полей в электродинамических системах с полупроводниковыми элементами. Важным фактором, стимулирующим проведение этих исследований, является открытие новых физических эффектов в полупроводниках, на основе которых разработаны и широко внедрены в практику устройства СВЧ различного назначения: твердотельные источники электромагнитных колебаний, усилители СВЧ, полупроводниковые приборы для преобразования и управления энергией электромагнитных волн [1—66].

Традиционным до настоящего времени в физике полупроводников и радиофизике можно считать подход, основанный на предположении, что характер взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами определяется свойствами полупроводниковых структур, параметры которых зависят только от технологических особенностей их создания и могут изменяться в результате воздействия температуры, постоянных электрических и магнитных полей и излучения оптического диапазона [67—84].

Гораздо менее изученным является рассмотрение взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала [85—107].

Проведение таких исследований затруднено тем, что для строгого теоретического описания физических процессов, протекающих в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, и, в частности, для определения параметров их эквивалентных схем оказывается необходимым решать систему нелинейных дифференциальных уравнений. Эта система уравнений еще более усложняется в случае, когда на полупроводниковую структуру воздействуют постоянные электрические и магнитные поля, излучение оптического диапазона.

При теоретическом описании и экспериментальных исследованиях взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми приборами оказывается необходимым рассматривать не только физические процессы, протекающие в полупроводниковых структурах при воздействии на них СВЧ-излучения, но и решать сложные задачи по нахождению распределения поля в электродинамической системе с полупроводниковыми элементами, размещенными в ней с помощью специальных держателей. Строгое рассмотрение таких систем с полупроводниковыми элементами может быть получено лишь при совместном решении поставленных выше задач.

При описании свойств полупроводниковых приборов на СВЧ часто считают возможным использовать их стационарные или малосигнальные характеристики (вольт-амперную характеристику, импеданс). Такой подход в ряде случаев позволяет успешно конструировать различного типа СВЧ-устройства на полупроводниковых приборах. В то же время ясно, что с увеличением уровня воздействующей СВЧ-мощности возможно существенное изменение свойств полупроводниковых приборов.

Для устранения влияния внешних СВЧ-сигналов используют так называемые защитные устройства или СВЧ-ограничители [10, 17, 42] и, в частности, ограничители на р — i — п-диод ах, т. е. р — i — n-диоды в таких приборах по своему назначению находятся в условиях воздействия высокого уровня СВЧ-мощности.

Было установлено, что при определенных уровнях СВЧ-мощности в р — i — п-диодах может происходить скачкообразное изменение выпрямленного тока. Возникновение таких скачков тока объяснялось [108] нелинейным характером барьерной емкости р — г-перехода, образующей с индуктивностью выводов диодов нелинейный колебательный контур, имеющий два различных устойчивых состояния.

Интересно отметить, что в спектре выходного сигнала ограничителя наблюдается последовательное появление с увеличением уровня мощности составляющих //2, //4, области шумового спектра, составляющих //3, //6, где / — частота входного сигнала [109].

Теоретически возникновение субгармонических составляющих и гистерезис в СВЧ-ограничителях описаны с использованием р — г — n-диода в виде нелинейного колебательного контура [110].

В работах [47,111] бистабильные и триггерные ВЧи СВЧ-свойства р — i — п-диодов описывались на основе импедансной модели, учитывающей внутреннюю обратную связь между пространственными областями р — i — n-структуры по СВЧ-напряжению, постоянному и СВЧ-току.

Воздействие высокого уровня мощности на р — i — п-диод или на два последовательно соединенных р — i — n-диода [112] может приводить к появлению на ВАХ одного или нескольких участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением и, как следствие этого, к модуляции выходного СВЧ-сигнала сравнительно более низкочастотными колебаниями, частота и форма которых зависят от частоты и амплитуды входного сигнала.

Введение

в схему ограничителя фильтра, предотвращающего появление субгармонических составляющих, позволяет улучшить его основные характеристики [113].

Воздействие СВЧ-излучения качественным образом изменяет спектр выходного сигнала устройств на диодах Ганна, импеданс которых имеет ярко выраженный нелинейный характер. При этом вид нелинейности диода существенным образом зависит от его режима питания, элементов конструктивного исполнения, типа электродинамической системы, в которую он помещен, и других факторов [114—116].

При воздействии на диод Ганна, работающий в режиме усиления внешнего СВЧ-сигнала, начиная с некоторого уровня мощности, на выходе возникают субгармонические составляющие //2, //4, //8 и шумовая генерация. При этом наблюдается скачкообразное изменение продетектированного диодом Ганна напряжения.

При воздействии на диод Ганна, работающий в режиме многочастотной генерации, внешним сигналом на частоте его субгармоники, каждая мода в спектре выходного сигнала занимала положение, соответствующее по частоте ближайшей к ней гармонике синхронизированного сигнала [117]. При повышении мощности синхронизирующего сигнала зависимость мощности генератора от частоты расстройки принимала гистерезисный характер [118]. Если частота внешнего сигнала близка к собственной частоте генерации, то возникает модуляция. При этом глубина модуляции, частота и форма модулирующего сигнала зависят от величины расстройки и мощности внешнего сигнала [119]. Максимальные значения частот модуляции достигаются при мощностях внешнего СВЧ-сигнала, сравнимых с мощностью собственной генерации СВЧ-генератора на диоде Ганна.

Если кроме основного сигнала на диод Ганна воздействует еще один внешний сигнал, то наблюдается его влияние на уровень пороговой мощности основного сигнала, при котором происходит возникновение субгармонических составляющих [120]. Особенно сильно это влияние в случае, когда частота дополнительного сигнала близка к //4. Наряду с уменьшением пороговой мощности воздействие дополнительного сигнала приводит к увеличению амплитуд субгармонических составляющих.

Кроме описанных выше эффектов, при изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением, наблюдается и эффект детектирования.

Отдельные аспекты проявления этого эффекта в генераторах и усилителях на диодах Ганна, ЛПД, туннельных диодах, биполярных и полевых транзисторах и вопросы его практического использования обсуждались в работах [121−124].

Однако описание детекторного эффекта в полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением при воздействии на них внешнего СВЧ-сигнала с учетом реальных параметров активного элемента и элементов СВЧи НЧ-схем, в которые включен полупроводниковый прибор, проведено до настоящего времени не было.

Таким образом, воздействие СВЧ-излучения на полупроводниковые приборы может приводить к существенному изменению их характеристик: появлению или исчезновению на В АХ участков отрицательного сопротивления, генерации субгармонических составляющих и шума, модуляции, гистерезисного характера зависимостей их характеристик.

Поведение различных типов полупроводниковых приборов под действием СВЧ-излучения имеет свою специфику. Учет описанных эффектов существенен при анализе использования различного типа полупроводниковых приборов СВЧ, при определении условий их эксплуатации и областей применения. Использование этих эффектов позволяет создавать различного типа измерители, предотвращение их появления позволяет улучшить основные характеристики некоторых типов устройств.

По сравнению с приборами вакуумной электроники зависимость параметров твердотельных приборов СВЧ от таких внешних факторов как температура, освещение может проявляться гораздо более существенным образом, что обусловлено сильно выраженной зависимостью от этих факторов свойств полупроводниковых материалов. Кроме того, характеристики полупроводниковых материалов и приборов могут существенным образом зависеть от величины и ориентации магнитного и электрического полей. Вследствие вышесказанного важное значение при разработке и определении условий эксплуатации полупроводниковых СВЧ-приборов имеет исследование их модуляционных характеристик.

СВЧ-характеристики полупроводниковых приборов существенным образом изменяются под воздействием оптического излучения [125—137]. В литературе представлены результаты исследований характеристик ЛПД [127, 133, 138—148], диодов Ганна [2, 149—160], р — г — п-диодов [130, 137, 161], биполярных [162] и полевых [163—176] транзисторов, транзисторов с высокой подвижностью электронов [176—178] при освещении.

При воздействии оптического излучения на ЛПД фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, вызывают увеличение количества носителей в обедненной зоне, в результате происходит увеличение лавинного тока, изменяются амплитуда и фаза тока, наведенного во внешней цепи, и, как следствие, мощность и частота генерируемых колебаний [141, 142]. В работе [142] приведены результаты исследований возможности управления генератором на ЛПД с помощью лазерной подсветки малой интенсивности (1.5 Вт/см2), показано, что, изменяя согласование ЛПД с нагрузкой, можно добиться значительного (до десяти раз) изменения выходной мощности генератора как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения.

Зависимости мощности, КПД и спектрального состава колебаний, генерируемых кремниевым ЛПД, от рабочего тока диода на различных частотах трехсантиметрового диапазона длин волн при облучении его светом с плотностью до 300 Вт/см2 теоретически и экспериментально описаны в работе [138]. Авторы, в частности, установили, что при оптическом воздействии происходит подавление субгармоники //2, появляющейся в выходном спектре ЛПД при определенных режимах его работы. При этом в зависимости от амплитуды и фазы субгармоники в отсутствие света происходит либо увеличение, либо уменьшение мощности и КПД диода на основной частоте. В случае, когда мощность генерируется только на частоте субгармоники, при ее подавлении оптическим воздействием возбуждаются колебания на основной частоте. При облучении кремниевого ЛПД светом плотностью 1000 Вт/см2 было обнаружено более значительное изменение (уменьшение) активной проводимости прибора по сравнению с реактивной, что означает возможность глубокой амплитудной модуляции вплоть до реализации режима переключения [141, 144] и менее значительной частотной модуляции.

Исследованию модуляционных характеристик генераторов СВЧ-диапазона на диодах Ганна при воздействии на них излучения оптического и инфракрасного диапазонов посвящены работы [131, 134, 135, 149—160]. При облучении диода Ганна светом с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны, наблюдалось улучшение когерентности СВЧ-колебаний и возрастание их амплитуды [149], что авторами работы [2] объяснялось влиянием увеличения концентрации электронов в зоне проводимости и связанным с ним уменьшением неравномерности распределения концентрации электронов вдоль образца.

Влияние постоянного уровня подсветки на параметры генерации диодов Ганна в зависимости от типа контактов исследовалось авторами работы [150].

Эффекты, связанные с перераспределением напряженности электрического поля вдоль диодной структуры, вследствие освещения лишь ее части, описаны в [151−153].

В работах [154, 155] теоретически и экспериментально исследована возможность управления ганновской генерацией вблизи порогового напряжения с помощью коротких импульсов мощного лазерного излучения, энергия кванта которого значительно меньше ширины запрещенной зоны.

Исследованию влияния излучения с энергией кванта, соответствующей глубине залегания уровня захвата свободных электронов, на генерацию диодов Ганна посвящена работа [156].

Анализу возможности реализации амплитудной модуляции генератора на диоде Ганна при воздействии оптического сигнала на фоторезистор, помещенный в резонатор совместно с диодом Ганна, посвящены работы [157—160].

Таким образом, из результатов исследований модуляционных характеристик генераторов СВЧ-диапазона на полупроводниковых активных элементах при воздействии на них лазерного излучения следует, что облучение должно приводить к увеличение мощности и частоты генерируемых СВЧ-колебаний, вследствие возрастания числа свободных носителей в зоне проводимости. При облучении части полупроводникового образца изменяется его эффективная длина, что по мнению авторов [151—153], должно приводить к уменьшению времени пролета домена и увеличению частоты генерируемых колебаний.

Проведенные исследования [127, 140, 147, 148] показали также эффективность синхронизации полупроводниковых СВЧ-генераторов с помощью оптического сигнала.

Значительное число работ посвящено изучению влияния оптического излучения на арсенид-галлиевый полевой транзистор с барьером Шоттки [131, 134, 163—176].

Статические характеристики ПТШ при освещении исследовались в работе [163]. Авторы рассматривают три различных случая освещения транзистора: облучение светом с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны, освещение длинноволновым излучением, освещение «белым» светом.

Освещение транзистора светом с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны, вызывает увеличение тока стока, которое обусловлено сужением области обедненного заряда под барьером из-за генерации электронно-дырочных пар при межзонных оптических переходах и повышением проводимости квазинейтральных областей истока и стока.

При освещении длинноволновым излучением с энергией квантов, большей энергии фотонейтрализации глубокого уровня, происходит переход электронов из валентной зоны на соответствующий глубокий уровень, что приводит к расширению области объемного заряда, увеличению сопротивления канала и паразитных сопротивлений истока и стока. Ток стока при этом уменьшается.

При освещении ПТШ «белым» светом изменение тока стока определяется степенью взаимной компенсации двух вышеназванных процессов. Поскольку эффективность поглощения излучения в фундаментальной полосе на 3−4 порядка выше чем в примесной, то генерация электронно-дырочных пар преобладает над эффектом изменения зарядового состояния глубоких примесей, поэтому изменения характеристик ПТШ при облучении «белым» светом и коротковолновым излучением качественно совпадают.

Изменение коэффициента усиления малошумящего усилителя на GaAs ПТШ при оптическом воздействии исследуется в работе [164]. Автором сделан вывод, что поведение ПТШ, находящегося под действием светового излучения, подобно поведению двухзатворного транзистора. Аналогичный вывод содержится в работе [165], автор которой приводит результаты измерения S-параметров малошумящего ПТШ в диапазоне частот от 3 до 8 ГГц при различных напряжениях на затворе и различных уровнях освещенности.

В работе [166] приведены результаты исследования влияния оптического излучения на динамический диапазон усилителя на арсенид-галлиевом полевом транзисторе. Авторы отмечают, что важным этапом разработки усилителя является выбор параметров цепи смещения затвора с целью оптимизации эффективности воздействия освещения. Из приведенных экспериментальных результатов следует, что применение оптического излучения позволяет на 10 дБ уменьшить интермодуляционные искажения третьего порядка.

Отметим, что в приведенной литературе представлены результаты исследования действия оптического излучения на малошумящие полевые транзисторы. Влияние освещения на характеристики мощных GaAs ПТШ не изучено. Поскольку мощные транзисторы имеют отличную от малошумящих структуру (несколько меньшую концентрацию носителей заряда в канале, большее расстояние сток — исток [54]) и работают в других режимах по постоянному току, можно предположить, что их поведение при освещении также будет отличаться от поведения малошумящих транзисторов [125—127, 131, 132, 168, 175, 180].

В работах [181—184] описано использование ПТШ для смешения излучений двух лазеров, в результате которого на выходе транзистора формировался сигнал миллиметрового диапазона длин волн.

В работе [185] полевой транзистор предлагается использовать в качестве чувствительного элемента при создании приемо-передающего модуля для активной фазированной антенной решетки с оптическим управлением [186—189].

На СВЧ-характеристики полупроводниковых приборов существенным образом влияет стационарное магнитное поле. Влияние магнитного поля на характеристики генераторов на диодах Ганна исследовалось авторами работ [2, 4, 190—198].

В работах [2, 4, 191—194] приведены результаты исследования влияния магнитного поля на стационарные характеристики диода Ганна, в частности, рассчитаны зависимости величины пороговой напряженности электрического поля Еп и пороговой плотности тока jn от поперечного магнитного поля. Наблюдавшиеся изменения значений Еп и jn связывались с эффектом магнитосопротивления.

Расчеты зависимости v (E) в поперечном магнитном поле В [191] показали, что с ростом величины В отрицательная дифференциальная подвижность (ОДП) быстро уменьшается. На основе этого факта делается вывод о том, что с ростом магнитного поля должно наблюдаться уменьшение амплитуды ганновских колебаний [4], В работе [195] приведены результаты исследования влияния поперечного магнитного поля на частоту генерации диода Ганна. На основе упрощенной модели показано, что наличие поперечного магнитного поля приводит к уменьшению дрейфовой подвижности электронов и снижению частоты генерации диода Ганна. В эксперименте автором этой работы наблюдалось монотонное уменьшение частоты генерации, пропорциональное квадрату индукции магнитного поля.

Авторами работы [196] исследовались осциллограммы однократных радиоимпульсов генераторов на диодах Ганна. При увеличении магнитного поля наблюдалось повышение когерентности колебаний и уменьшение частоты генерации диода Ганна.

Влияние магнитного поля на вид динамических вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов Ганна исследовано в работах [197, 198]. Поскольку магнитное поле изменяет вид ВАХ, авторами [197, 198] был сделан вывод о том, что оно должно влиять и на характер возникающих низкочастотных колебаний. Таким образом, из результатов исследований влияния магнитного поля на характеристики СВЧ-генераторов, активными элементами которых являются диоды Ганна, следовало, что увеличение магнитного поля должно приводить к уменьшению амплитуды и частоты генерируемых колебаний. По мнению авторов наблюдающееся уменьшение частоты с увеличением магнитного поля описывалось квадратичным законом и связано с эффектом магнитосопротивления в диодах Ганна, а, следовательно, не должно изменяться при смене направления магнитного поля на противоположное и сохранении его величины.

Транзисторный автогенератор сантиметрового диапазона длин волн с перестройкой по частоте при помощи воздействия магнитного поля непосредственно на полевой транзистор описан в работе [199]. При воздействии магнитного поля наблюдался уход частоты генерируемого сигнала, при этом изменение частоты происходило в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от направления магнитного поля. Изменение частоты генератора от величины магнитного поля носило линейный характер. Магнитное поле, приложенное к транзистору, не оказывало сколько-нибудь заметного влияния на остальные параметры генератора (выходную мощность, стабильность, КПД), что дает возможность применения этого эффекта для точной настройки генератора на рабочую частоту.

Несмотря на значительное число исследований, посвященных решению проблемы взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми приборами, их авторы, как правило, акцентировали свое внимание на определенных моментах этой проблемы.

В развитие и изучение физических явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитных полей с полупроводниковыми элементами, существенный вклад внес коллектив сотрудников под руководством Ю. К. Пожелы, которым развита теория, описывающая распространение волн в передающих линиях с продольно намагниченным полупроводником, теоретически и экспериментально исследованы эффекты, обусловленные разогревом свободных носителей заряда в полупроводниках СВЧ-полем, созданы новые типы преобразователей СВЧ-сигнала, предложены новые способы измерений параметров полупроводниковых материалов и устройства для их реализации [11, 67—70, 200, 201].

Закономерности распространения волн СВЧ-диапазона в полупроводниковых волноводах изучались коллективом под руководством Ю. В. Гуляева [202, 203].

Переходные процессы при перестройке частоты в генераторе со стабилизирующим резонатором обсуждены в работах Н. И. Синицина [204].

Значительных достижений в разработке полупроводниковых приборов СВЧ-диапазона добился коллектив сотрудников под руководством А. С. Тагера, в котором были созданы принципиально новые источники колебаний СВЧ-диапазона на основе лавинно-пролетных диодов [1]- на базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые типы варакторов с многослойной базой [205], диоды Ганна с основной частотой генерации более 100 ГГц [206], малошумящие полевые транзисторы на арсениде галлия, работающие в диапазоне частот до 40 ГГц [22]- предложены одновременно и независимо от зарубежных авторов гетероструктур-ные полевые транзисторы с селективным легированием [207]- разработаны первые отечественные резонансно-туннельные диоды [208, 209].

В работах М. С. Шура развиты представления о физических процессах в арсенид-галлиевых полевых транзисторах с барьером Шоттки, полевых транзисторах на гетероструктурах с селективным легированием, приборах на квантово-размерных эффектах и приведены результаты моделирования СВЧ-устройств на их основе [12, 79, 80, 210].

Особенности взаимодействия излучения миллиметрового диапазона с полупроводниковыми приборами на основе барьеров Шоттки и селективно-легированных ге-тероструктур исследовались коллективом сотрудников под руководством В. Е. Люб-ченко [211−214].

Решению проблемы взаимодействия горячих носителей заряда в полупроводниках с коротковолновым излучением СВЧ-диапазона посвящены работы Б. Н. Климова, В. А. Иванченко [215, 216].

Исследование горячих электронов и сильных электромагнитных волн в плазме полупроводников проведено в работах Ф. Г. Басса, Ю. Г. Гуревича [217, 218].

Вопросы взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниками, в том числе, в условиях возникновения явления ударной ионизации, рассмотрены в работах Л. И. Каца, В. Н. Чуписа [219−221].

Теория распространения волн в плазме твердого тела развивалась в работах Г. Г. Шишкина [222, 223].

Нелинейные свойства и характеристики СВЧ р — i — п-диодов исследовались в работах И. В. Лебедева [47, 111].

Исследованию особенностей использования активных полупроводниковых элементов в устройствах СВЧ-диапазона посвящены работы В. А. Малышева [52].

Вопросы хаотизации выходного сигнала СВЧ-генераторов исследовались коллективом сотрудников под руководством Д. И. Трубецкова [224, 225].

Результаты исследований поведения нелинейных стохастических систем приведены в работах В. С. Анищенкб с сотрудниками [226, 227].

Мультистабильность и хаос в многомерных неавтономных системах, содержащих полупроводниковые элементы, исследовались в работах Б. П. Безручко с сотрудниками [228—230].

В развитие взглядов на физическую природу волновых и колебательных процессов в электродинамических системах с полупроводниковым заполнением значительный вклад внес коллектив сотрудников под руководством Д. А. Уса нова, которым развита теория возбуждения высших типов колебаний в таких системахтеоретически и экспериментально исследованы зависимости характеристик электродинамических систем от проводимости, геометрических размеров и положения помещенного в них полупроводникаустановлены механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводником, помещенным в магнитное поле, приводящие к появлению невзаимноститеоретически, с учетом взаимодействия через высшие типы колебаний, и экспериментально исследованы характеристики распространения волны в волноводах, содержащих многоэлементные неоднородности типа «полупроводник — металл" — разработаны, созданы и внедрены новые способы управления и настройки СВЧ-устройств, измерения параметров материалов и приборов, новые типы полупроводниковых измерительных СВЧ-устройств и устройств для управления, преобразования, генерации и усиления электромагнитных колебаний [42, 82, 84, 99−110, 112−124, 231−234].

При решении задач, возникающих при разработке радиоволновых методов контроля полупроводниковых материалов и структур, были развиты вопросы взаимодействия электромагнитного поля резонатора с полупроводниковыми структурами, созданы и внедрены новые типы СВЧ измерительных устройств коллективами под руководством А. С. Петрова [235−237], Ю. Е. Гордиенко [238, 239].

Применительно к задачам диагностики в работах Ю. К. Григулиса [240—242], В. А. Конева [243], Д. И. Биленко [244] проводился анализ характеристик распространения волн в электродинамических системах, содержащих полупроводники.

Теория распространения волн в волноводах, содержащих металлические стержни круглого сечения с зазором, которые часто используются в качестве держателей полупроводниковых элементов, была развита в работах А. В. Мошинского с сотрудниками [245, 246].

Анализ исследований, посвященных рассмотрению взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с полупроводниковыми элементами, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени в большинстве случаев многие авторы, стремясь как можно более строго решить электродинамическую задачу, представляют полупроводниковые активные элементы, используя сильно упрощенные модели.

С другой стороны при изучении процессов, протекающих в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, часто не учитывают сложного характера распределения электромагнитного поля в конкретных электродинамических системах, в которые помещаются исследуемые полупроводниковые элементы.

Такой односторонний подход к решению проблемы создания СВЧ-устройств на полупроводниковых элементах, по мнению ряда авторов [3, 94], привел к задержке на несколько лет разработки новых полупроводниковых СВЧ-генераторов, мощных полупроводниковых устройств СВЧ-диапазона, достижения максимальных значений коэффициента полезного действия, предельной частоты и мощности, повышения их надежности, адекватного описания характеристик новых СВЧ-устройств. Для решения этих задач требовалось проведение трудоемких экспериментальных исследований.

В связи с этим является актуальным проведение целенаправленного комплекса теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

Проведение целенаправленного комплекса таких исследований может позволить обнаружить новые физические явления в полупроводниковых приборах, создать на их основе новые типы твердотельных СВЧ-устройств, а также улучшить характеристики устройств, уже получивших широкое распространение в различных областях техники СВЧ, и тем самым еще более расширить области их применения.

Цель диссертационной работы.

Установление, в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами, новых физических закономерностей, связанных с учетом сложного характера распределения электромагнитных полей в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полейразработка и создание на их основе новых типов СВЧ-устройств.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Теоретическое и экспериментальное исследование изменения стационарных характеристик полупроводниковых приборов при воздействии на них СВЧ-излучения.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование низкочастотного спектра выходного сигнала СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах.

3. Установление механизма влияния стационарного магнитного поля на характеристики полупроводниковых диодных генераторов СВЧ.

4. Выявление механизмов воздействия оптического излучения на характеристики СВЧ-устройств на полупроводниковых приборах.

5. Использование эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми структурами для разработки новых методов и средств радиоволнового контроля.

Научная новизна.

1. Впервые проведен целенаправленный комплекс теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электромагнитных полей с полупроводниковыми приборами по установлению новых физических закономерностей, связанных с учетом сложного характера распределения электромагнитного поля в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

2. Установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с туннельно-тонкими р — п-переходами приводит к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока, вследствие разогрева свободных носителей заряда, и появлением продетектированного сигнала.

3. Выявлена возможность как исчезновения областей отрицательного наклона, так и возникновения дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках последовательно соединенных туннельных диодов под действием греющего СВЧ-поля.

4. Обнаружен эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках диодных структур на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

5. Теоретически описан экспериментально наблюдающийся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в р — г — п-диодных структурах и диодных структурах на основе невырожденного р — п-перехода при воздействии на них СВЧ-излучения в результате учета детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности.

6. Теоретически описан и экспериментально исследован эффект автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено, что изменение нагрузки в СВЧи НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи, обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

7. Установлена экспериментально и описана теоретически взаимосвязь сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях с выходной мощностью генераторов на их основе и нестабильностью характеристик выходного сигнала.

8. Обнаружен экспериментально и описан теоретически режим релаксационных низкочастотных колебаний в генераторах на диодах Ганна и явление гистерезиса в возникновении низкочастотных колебаний.

9. Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность существования субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на Са Аэ ПТШ. Определены интервалы значений входной мощности, режимов работы ПТШ по постоянному току и параметры внешней СВЧ-схемы, при которых возникают и существуют субгармонические колебания.

10. В полупроводниковых СВЧ-генераторах обнаружен эффект невзаимности, заключающийся в зависимости амплитуды и частоты генерации сигнала от направления внешнего магнитного поля при сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, зависящими от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

11. Установлены два механизма влияния оптического излучения на частоту и мощность сигнала генераторов на диодах Ганна: тепловой и концентрационный. Показано, что величина и знак сдвига частоты генерации, вызванного этими механизмами влияния оптического излучения на диод, определяются электродинамическими параметрами генераторной секции. В зависимости от этих параметров оба механизма: тепловой и концентрационный — могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков.

12. Теоретически и экспериментально исследовано влияние оптического излучения на статические характеристики СаАв ПТШ и спектральные характеристики выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе, работающего в режиме большого сигнала. Исследован эффект изменения спектральных характеристик выходного сигнала усилителя на СаАя ПТШ под действием оптического излучения в широком диапазоне значений входного СВЧ-сигнала. Установлены режимы работы ПТШ и значения уровней СВЧи оптического сигналов, при которых наблюдается максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения. Показано качественное соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

13. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены новые типы СВЧ-устройств и новые способы неразрушающего контроля.

Достоверность результатов диссертации.

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается.

• строгостью используемых математических моделей,.

• корректностью упрощающих допущений,.

• сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям,.

• выполнимостью предельных переходов к известным решениям,.

• соответствием результатов расчета эксперименту.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена.

• применением современной стандартной измерительной аппаратуры,.

• обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ,.

• успешным использованием на практике приборов, в основу работы которых положены результаты проведенных исследований.

Практическая значимость работы.

• Показана эффективность управления характеристиками полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — п-переходами греющим СВЧ-полем, что представляет интерес при создании устройств СВЧ-диапазона, быстродействующих аналоговых и цифровых устройств обработки информации.

• Эффект возникновения ОДС на стационарных ВАХ р — г — п-диодных структур и структур На основе невырожденного р — п-перехода при воздействии СВЧ-излучения может быть использован при создании генераторов и усилителей с управляемым отрицательным сопротивлением.

• Установлена возможность прогнозирования основных характеристик СВЧ-генераторов на диодах Ганна по величине их сопротивления в слабых электрических полях.

• Эффект невзаимности, обнаруженный в полупроводниковых СВЧ-генераторах, может быть использован для уточнения условий их эксплуатации, а также для оценки погрешности при исследовании параметров полупроводниковых структур СВЧ-методами при наличии магнитного поля.

• Показана возможность создания оптически управляемых СВЧ-генераторов на диодах Ганна и детекторов импульсного излучения видимого и инфракрасного диапазонов на их основе.

• Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при исследовании влияния оптического излучения на вольт-амперные характеристики, коэффициент усиления и спектр выходного сигнала СВЧ-усилителя на ПТШ могут быть использованы при создании нового класса твердотельных приборов с оптическим управлением. В частности, показана возможность уменьшения нелинейных искажений в СВЧ-усилителе, работающем с различными уровнями входной мощности с помощью оптического сигнала.

• В результате проведенных исследований разработаны и созданы новые приборы [247—253] для контроля параметров тонких металлических пленок и диэлектрических слоев, параметров вибраций и перемещений, электропроводности водных растворов, принцип действия которых основан на эффекте ав-тодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с тун-нельно-тонкими р — п-переходами приводит к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока, вследствие разогрева свободных носителей заряда и появлением продетектированного сигнала.

2. На вольт-амперных характеристиках последовательно соединенных туннельных диодов под действием внешнего СВЧ-сигнала возможно как исчезновение областей отрицательного наклона, так и возникновение дополнительных максимумов.

3. Учет детекторного эффекта, разогрева носителей заряда и зависимости импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности позволяет адекватно объяснить экспериментально наблюдающийся эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках р — I — га-диодных структур и диодных структур на основе невырожденного р — га-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

4. С ростом сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основе уменьшается величина долговременной нестабильности характеристик выходного сигнала генераторов, обусловленная изменением условий теплопередачи и температуры окружающей среды.

5. В многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания изменение нагрузки в СВЧи НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Наблюдающиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

6. При возникновении НЧ-колебаний в цепях питания СВЧ-генераторов на диодах Ганна наблюдается явление: гистерезиса при напряжениях смещения, существенно превышающих пороговое. Форма НЧ-колебаний имеет вид, характерный для релаксационного режима.

7. При воздействии мощного СВЧ-сигнала в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на Оа Аэ ПТШ при определенных значениях входной мощности, режимах работы ПТШ по постоянному току и параметрах внешней СВЧ-схемы возникают субгармонические составляющие.

8. В полупроводниковых диодных СВЧ-генераторах, находящихся в постоянном магнитном поле, наблюдается эффект невзаимности, заключающийся в зависимости амплитуды и частоты генерации сигнала от направления внешнего магнитного поля при сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, параметры которых зависят от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

9. Тепловой и концентрационный механизмы влияния оптического излучения на работу генераторов на диодах Ганна в зависимости от электродинамических параметров генераторной секции могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков. Максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения определяется режимами работы ПТШ и значениями уровней мощности СВЧи оптического сигналов.

10. На защиту выносится группа новых типов. СВЧ-устройств, созданных на основе эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах и защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Настоящая диссертация выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета, в НИИ механики и физики при СГУ. Она является обобщением работ автора, выполненных в период с 1980 по 1998 год по одной из актуальных проблем физики полупроводников и радиофизике, заключающейся в теоретическом и экспериментальном исследовании взаимодействия электромагнитных полей в электродинамических системах с полупроводниковыми элементами.

Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по исследованию взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

В результате решения этой научной проблемы установлены.

• новые физические закономерности в модуляционных характеристиках полупроводниковых приборов СВЧ;

• новые физические явления, наблюдающиеся в этих приборах при воздействии электромагнитного излучения оптического и СВЧ-диапазонов, постоянных электрических и магнитных полейразработаны, созданы и внедрены.

• новые типы твердотельных СВЧ-устройств, обладающие улучшенными характеристиками по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Реализация результатов в народном хозяйстве.

Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с:

• координационным планом НИР АН СССР на 1981;1985 годы по проблеме «Физическая электроника», раздел 1.5.2.8 «Поиск новых физических принципов создания твердотельных приборов и устройств СВЧ, в особенности мм и субмм диапазонов»;

• координационными планами НИР АН СССР на 1986;1990 годы по проблеме «Физическая электроника», раздел 1.5.4.3 «Приборы и устройства СВЧ-диапа-зона на твердотельных элементах», по направлению «Физика твердого тела», раздел 1.3.10.4 «Р ад ново л новые методы»;

• координационным планом НИР высших учебных заведений системы Минвуза СССР в области физики полупроводников на 1986;1990 годы, раздел 1.8 «Исследование эффектов детектирования в полупроводниковых СВЧ-диодах и транзисторах, работающих в режиме усиления и генерации»;

• комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР «Датчик» на 1986;1990 годы по теме 2.1.10 «Исследование эффектов автодинного детектирования в твердотельных СВЧ-генераторах и создание на этой основе датчиков для неразрушающего контроля полупроводниковых и диэлектрических материалов»;

• межвузовской программой НИР на 1986;1990 годы «Научное приборостроение», раздел 16 «Приборы лабораторной технологии»;

• НИР «Параметр», проводимой согласно постановлению ГКНТ СССР и включенной в народнохозяйственный план социального и экономического развития РСФСР на 1985 год;

• программой фундаментальных исследований «Физика твердого тела» по проблеме «Неразрушающие физические методы контроля» ООФА АН СССР на 1991;1995 годы;

• научно-технической программой Гособразования СССР на 1989;1992 годы «Новые технологии и автоматизация процессов в машиностроении»;

• межвузовской инновационной научно-технической программой Госкомвуза РФ на 1991;1993 годы «Исследование, разработка, освоение и выпуск наукоемкой продукции для отраслей народного хозяйства РФ», раздел 3 «Автоматизированные комплексы, системы и приборы»;

• межвузовской инновационной научно-технической программой Госкомвуза РФ на 1991;1993 годы «Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция», раздел 2 в рамках государственной научно-технической программы «Технологии, машины и производства будущего»;

• межвузовской научно-технической программой «Неразрушающий контроль и диагностика» Минобразования РФ на 1991;1994 годы и 1995;1997 годы;

• межвузовской инновационной научно-технической программой «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» на 1993;1994 годы и 1995;1997 годы;

• грантом Государственного Комитета РФ по высшему образованию 19 921 993 годов (МИЭТ ТУ) «Исследование физических процессов в полупроводниковых приборах СВЧ с отрицательным сопротивлением в условиях воздействия на них внешних возмущающих электромагнитных полей СВЧ-диапазона, оптического излучения, постоянного магнитного поля»;

• грантом Государственного Комитета РФ по высшему образованию 19 941 995 годов № 94−1-74 «Исследование влияния греющих СВЧ-полей на характеристики приборов с туннельно-тонкими переходными слоями», № гос. регистрации 1 940 005 020;

• грантом Государственного Комитета РФ по высшему образованию 1995— 1997 годов № 95−3-67 (МИЭТ ТУ) «Исследование взаимосвязи выходных характеристик приборов на основе активных полупроводниковых элементов СВЧ-диапазона с параметрами полупроводниковых структур в слабых полях»;

• научно-технической программой «Вузовская наука регионам» на 1997;2000 гг.;

• научно-технической программой Минобразования РФ «Электроника», подпрограмма «Микроэлектронные технологии изделий электронной техники»;

• планом НИР на 1993 год «Разработка методики контроля параметров эпитак-сиальных структур»;

• планом НИР на 1995 год «Изыскание путей создания комплекса аппаратуры непрерывного контроля загрязнения солями металлов, нефтепродуктами и другими включениями промышленных сточных вод»;

• планами НИР на 1996;2000 годы «Разработка высокочувствительных методов контроля параметров многокомпонентных сред и плазменных образований на основе использования зондирующего излучения радиоволнового и оптического диапазонов», «Исследование материалов и компонентов микроэлектроники в условиях вибраций и ударных нагрузок», «Разработка нового поколения СВЧ-измерителей на основе эффекта автодинного детектирования», «Разработка и создание СВЧ-измерителя параметров металло-диэлектрических структур и покрытий», «Разработка и создание технологии контроля параметров вибраций и перемещений», «Разработка СВЧ-измерителя толщины покрытий»;

• планами НИР «Полимер» и «ЛОНО — МВО», выполнявшимися по Постановлению директивных органов в рамках х/д между НИИМФ СГУ, НПО «Молния» и п/я В-2572.

Разработанные в ходе выполнения диссертации приборы экспонировались на:

• ВДНХ СССР в Москве в 1985;1989 годах;

• выставке «Ученые Минвуза РСФСР — народному хозяйству страны» в Москве в 1985 году;

• Международных выставках «ТЕЛЕКОМ-87» (Женева — 1987), «Советская Россия сегодня» (Прага — 1987);

• Всесоюзной выставке «Ученые Поволжья — народному хозяйству» в Москве в 1989 году;

• IV, V, VI, VII Российских выставках-конференциях в 1991, 1993, 1995, 1997 гг. в Саратове, Ульяновске, Череповце;

• Международных выставках «МЕРА-92» и «МЕРА-93» в Москве в 1992,1993 гг.;

• Российской с международным участием выставке-конференции «Неразрушаю-щий контроль в науке и индустрии» в Москве в 1994 году;

• Российской выставке «Достижения вузов России в машиностроении» в Москве в 1992 году;

• годичных собраниях межвузовских инновационных научно-технических программ Минобразования РФ «Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция», «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» в С.-Петербурге и в Саратове в 1991;1997 годах.

Один из вариантов приборов, созданных в результате проведенных автором диссертации исследований, отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР за 1987 год.

Разработанные в ходе выполнения диссертации СВЧ-измерители выпущены в виде опытных партий на заводе «Тантал», в Центральном НИИ измерительной аппаратуры, НИИ механики и физики при СГУ в рамках госзаказа на 1987;1989 годы и внедрены в НПО «Молния», НПО «Энергия», НПО «Исток» в рамках НИОКР «Самшит», ЦНИИИА, ГНПП «Алмаз», НИИ ПМЭ МАИ, МАИ, СНИИМ, ВНИИ «Электронстандарт», СЗПИпереданы предприятиям электронной промышленности КНР по заключенным с ними контрактам.

Разработанные в рамках диссертации методы измерения параметров тонких металлических и диэлектрических слоев и выпущенные в виде опытных серий СВЧ-измерители типа СИТ-40, принцип действия которых основан на эффекте автодин-ного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах, включены в число распространенных методов и средств неразрушающего контроля авторами 5-ти томного практического пособия «Неразрушающий контроль» [254].

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

• V и VI Всесоюзных совещаниях по исследованию арсенида галлия в Томске в 1982, 1987 годах;

• X Всесоюзной научной конференции «Электроника сверхвысоких частот» в Минске в 1983 году;

• Всесоюзном совещании-семинаре «Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных СВЧ-схем» в Саратове в 1985 году;

• межведомственном научно-техническом совещании «Состояние и тенденции развития метрики полупроводниковых и диэлектрических структур» в Саратове в 1986 году;

• 42 Всесоюзной научной сессии, посвященной дню радио в Москве в 1987 году;

• VI Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ» в Новосибирске в 1987 году;

• XI Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» в Москве в 1987 году;

• 11 Всесоюзной научной конференции «Электроника СВЧ» в Орджоникидзе в 1986 году;

• 8 Krajowa Konferencja Microfalowa «MIKON-88» в Гданьске (Польша) в 1988 г.;

• 10 Всесоюзном семинаре по методам решения внутренних краевых задач электродинамики в Вильнюсе в 1988 году;

• 44 Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио, в Новосибирске в 1989 году;

• Всесоюзной научной конференции «Волновые и вибрационные процессы в машиностроении» в Горьком в 1989 году;

• 4 Всесоюзной научно-технической конференции и выставке «Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение» в Ижевске в 1990 году;

• 12 Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ в Киеве в 1990 году;

• IV Всесоюзной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции» в Саратове в 1991 году;

• Всесоюзной научно-технической конференции «Приборы с отрицательным сопротивлением и интегральные преобразователи на их основе» в Баку в 1991 г.;

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-92) в Новосибирске в 1992 году;

• 2 годичном собрании по разделу инновационной межвузовской научно-технической программы «Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении» в Саратове в 1993 году;

• 13 научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» в С.-Петербурге в 1993 году;

• 5 Российской научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды» в Ульяновске в 1993 году;

• Российской научно-технической конференции с международным участием «Не-разрушающий контроль в науке и индустрии-94» в Москве в 1994 году;

• X International Microwave Conference MIKON-94 Ksiaz Castle (Польша) в 1994 г.;

• VI Российской научно-технической конференции с международным участием «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства неразрушающего контроля» в Саратове в 1995 году;

• Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика» в Зеленограде в 1995 году;

• 1 Поволжской научно-технической конференции по проблемам двойного применения в Самаре в 1995 году;

• областной конференции «Проблемы новаторской деятельности ученых, изобретателей и других творческих работников в условиях реформирования экономики» в Саратове в 1996 году;

• XI International icroWave Conference MIKON-96 в Варшаве (Польша) в 1996 г.;

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного машиностроения» в Саратове в 1996 году;

• III и IV Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» в Дивноморском в 1996, 1997 годах;

• Всероссийской межвузовской научной конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» в Саратове в 1997 году;

• VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» в Череповце в 1997 году;

• 2 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электроника и информатика-97» в Зеленограде в 1997 году;

• III Международной конференции «Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление» в Воронеже в 1997 году;

• региональной научно-практической конференции «Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области» в Саратове в 1997 году;

• 21 International Conference on Microelectronics MIEL'97 в Ниш (Югославия) в 1997 году,.

• а также на объединенном научном семинаре кафедр физики твердого тела, физики полупроводников, электроники и волновых процессов Саратовского госуниверситета.

Публикации.

По материалам диссертации.

• опубликована 91 научная работа [247—253, 255—338], включая.

• 29 статей,.

• 2 патента и 5 авторских свидетельств на изобретения, которыми защищены предложенные новые способы и устройства.

Результаты диссертации использованы.

• в двух учебных пособиях [84, 339], рекомендованных к изданию Министерством общего и профессионального образования РФ.

Материалы диссертации использованы в разработанном цикле лекций «Явления переноса в структурах с туннельно-тонкими полупроводниковыми слоями» в рамках курса «Физика твердого тела» и практикуме по курсу лекций «Измерение параметров полупроводников на СВЧ».

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 296 страницах, содержит 130 рисунков, таблицу, список литературы из 428 наименований.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Теоретически и экспериментально исследовано воздействие внешнего СВЧ-сигнала на полупроводниковые структуры с туннельно-тонкими р — п-перехо-дами, приводящее к исчезновению на вольт-амперных характеристиках таких структур участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что связано с уменьшением туннельной компоненты, резким увеличением диффузионной компоненты полного тока вследствие разогрева свободных носителей заряда и появлением продетектированного сигнала.

2. Показано, что при управлении видом вольт-амперной характеристики последовательно соединенных полупроводниковых структур с туннельно-тонкими р — го-переходами с помощью греющего СВЧ-поля возможно как исчезновение областей отрицательного наклона, так и возникновение дополнительных максимумов на вольт-амперных характеристиках.

3. Построена модель, учитывающая детекторный эффект, разогрев носителей заряда и зависимость импеданса полупроводниковой структуры от уровня входной СВЧ-мощности. Описан эффект возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках р — г — п-диодных структур и диодных структур на основе невырожденного р — го-перехода при воздействии на них высокого уровня СВЧ-мощности.

4. Установлено, что в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания изменение нагрузки в СВЧи НЧ-цепях вызывают изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков. Наличие в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник приводит к возникновению локальных максимумов и минимумов на зависимостях продетектиро-ванного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи.

5. Обнаружено экспериментально и обосновано теоретически, что с ростом сопротивления диодов Ганна в слабых электрических полях одновременно с уменьшением выходной мощности генераторов на их основе уменьшается величина долговременной нестабильности характеристик выходного сигнала.

6. Обнаружен экспериментально и описан теоретически режим релаксационных низкочастотных колебаний в генераторах на диодах Ганна и явление гистерезиса в возникновении низкочастотных колебаний.

7. Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность существования субгармонических составляющих в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя на ваАв ПТШ. Определены интервалы напряжений питания и мощности входного сигнала, при которых возможно возникновение субгармоник, характеризуемых большим целым числом, равным отношению частот входного сигнала и субгармоники. При выходе за эти интервалы, в том числе при увеличении мощности свыше определенной величины, субгармоника в спектре исчезает.

8. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен эффект невзаимности, заключающийся в изменении амплитуды и частоты выходного сигнала полупроводниковых диодных СВЧ-генераторов при изменении направления внешнего стационарного магнитного поля и сохранении его величины. Степень проявления эффекта определяется направлением вектора магнитной индукции, параметрами электродинамической системы, в которую включен полупроводниковый активный элемент, и характеристиками самих полупроводниковых элементов, зависящими от технологических особенностей их создания и режимов работы по постоянному току.

9. Установлены два механизма влияния оптического излучения на частоту и мощность сигнала генераторов на диодах Ганна: тепловой и концентрационный. Показано, что величина и знак сдвига частоты генерации, вызванного этими механизмами влияния оптического излучения на диод, определяются электродинамическими параметрами генераторной секции. В зависимости от этих параметров оба механизма: тепловой и концентрационный — могут приводить к сдвигам частоты как одного, так и разных знаков.

10. Теоретически и экспериментально исследовано влияние оптического излучения на статические характеристики ОаАэ ПТШ и спектральные характеристики выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе, работающего в режиме большого сигнала. Выяснен характер изменения тока стока ПТШ при воздействии оптического излучения от уровня мощности на входе усилителя. Установлены закономерности изменения спектральных характеристик выходного сигнала усилителя на Са Ав ПТШ под действием оптического излучения в широком диапазоне значений входного СВЧ-сигнала. Определены режимы работы ПТШ и значения уровней СВЧи оптического сигналов, при которых наблюдается максимальное проявление эффектов усиления или подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала СВЧ-усилителя под действием оптического излучения.

11. С помощью численного моделирования характеристик СВЧ-усилителя на основе решения системы дифференциальных уравнений, описывающих мгновенные значения токов и напряжений как функции времени в узлах и цепях эквивалентной схемы усилителя, параметры нелинейных элементов которой зависят как от уровня СВЧ-сигнала, так и от мощности оптического излучения, адекватно описаны основные особенности изменения как статических характеристик ва Аэ ПТШ, так и спектральных характеристик выходного сигнала СВЧ-усилителя на его основе при воздействии на ПТШ оптического излучения в режиме большого сигнала.

12. Разработаны и созданы новые типы СВЧ-измерителей параметров тонких металлических пленок и диэлектрических слоев, параметров вибраций и перемещений, электропроводности водных растворов, принцип действия которых основан на использовании эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с полупроводниковыми СВЧ-генераторами.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту диссертационной работы — академику МАН ВШ, доктору физико-математических наук, профессору,.

Дмитрию Александровичу Усанову за большую помощь, оказанную во время работы над диссертацией, полезные советы и ценные замечания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по исследованию взаимодействия с полупроводниковыми элементами электромагнитных полей с учетом сложного характера их распределения в конкретных электродинамических системах и зависимости параметров полупроводниковых структур от уровня мощности воздействующего СВЧ-сигнала, оптического излучения, постоянных электрических и магнитных полей.

В результате решения этой научной проблемы установлены новые физические закономерности в модуляционных характеристиках полупроводниковых приборов СВЧновые физические эффекты, наблюдающиеся в этих приборах при воздействии электромагнитного излучения оптическиго и СВЧ-диапазонов, постоянных электрических и магнитных полейразработаны, созданы и внедрены новые типы твердотельных СВЧ-устройств, обладающие улучшенными характеристиками по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Все основные защищаемые научные положения теоретически обоснованы и подтверждены результатами экспериментов.