Sb000528

вой ошибки используют экраны с изменяющимся в направлении распространения волны рас стоянием до ферромагнитных пленок) или многослойных пленочных структур, например, структур из двух ферромагнитных пленок, разделенных слоем немагнитного диэлектрика. Второй способ управления τ(ω) основан нва изменении эффективного рассеивания между входной в выходной антеннами спиновых волн. Этот вариант реализуется с помощью решеток из металлических электродов, канавок на поверхности пленки, а также решеток, созданных локальным изменением магнитных характеристик пленки.

Дисперсионная ЛЗ характеризуется базой сигнала

ВТ = f τ

в отклонением от линейности времени задержки для данного диапазона частот.

3.3. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, созданная средствами LabVIEW, включает имитационную модель.

Рис. 3.3

Модель (рис. 3.3) является имитационной моделью линии задержки. Входные параметры этой модели – внешнее магнитное поле, параметры пленки, расстояние между антеннами и тип Волны, распространяющейся в

21

пленке. Выходные параметры – АЧХ и ФЧХ линии задержки, отображаемые графически, Элементы управления Обзор АЧХ ив Обзор ФЧХ позволяют изменить масштаб координатных осей,

Управление Моделью (ввод данных, просмотр различных участков графиков) осуществляется с помощью числового ввода с клавиатуры или с помощью мыши. Необходимые входные параметры вводятся в соответствующие поля или устанавливаются перемещение движка (например, величина внешнего магнитного поля).

В модели расстояние между антеннами можно изменить, поместив курсор на выходную антенну и перемещая его при зажатой левой кнопке мыши. Аналогично изменяют толщину пленки (курсор при этом должен быть установлен на нижний край пленки). Тип волны этой имитационной модели выбирают из кольцевого меню Тип волны или из выпадающего меню, которое открывается, если курсор помещен на поле с названием текущего типа волны в нажата левая кнопка мыши.

3.4.Задание

1.Проанализируйте, как влияет расстояние между антеннами ЛЗ на АЧХ

иФЧХ прибора.

2.Проследите влияние толщины пленки на АЧХ и ФЧХ прибора.

3.Исследуйте зависимость вида АЧХ и ФЧХ ЛЗ от величины внешнего магнитного поля.

4.Установите, при каких входных параметрах полоса пропускания ЛЗ максимальна.

3.5.Порядок выполнения работы

1. Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью : File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» устройство, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры.

5.Пронаблюдайте, как изменение входных параметров влияет на выходные параметры – дисперсные характеристики МСВ. Зарисуйте полученные графики для заданных входных параметров.

6.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

22

структурах (ТПС) с отрицательной дифференциальной подвижностью (ОДП) исследование влияния геометрических о электрофизических параметров структуры на частотные характеристики усилителя бегущей волны (УБВ).

4.2. Основные положения

Эффект нарастания волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах с ОДП, возникающей, например, в сильных электрических полях в материалах типа GaAs, лежит в основе работы усилителя бегущей волны.

Схематически структура УБВ изображена рис. 4.1. УБВ состоит из эпитаксиальной пленки GaAs n-типа проводимости, выращенной на полуизолирующей подложке. На поверхности эпитаксиальной пленки нанесен

слой диэлектрика 4 и сформированы: омические контакты 1, 6, создающие дрейфовый поток электронов вдоль пленки: контакты в воде барьеров Шотки (БШ), выполняющие функция преобразования электромагнитной волны в волну пространственного заряда на входной БШ (2) в обратное преобразование на выходном БШ (5); управляющий электрод 3 для управления характером границы потока носителей заряда посредством подачи на него соответствующего потенциала.

Усиление на УБВ реализуется за счет нарастания ВПЗ, распространяющейся от входного к выходному БШ в среде, обладающей ОДП. Свойства такой среды определяется кинетической характеристикой зависимостью сред-

ней скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля v(Е) (рис. 4.2). Про Е > Eкр (Екр = 3500 В/см для GaAs) коэффициент анизотро-

пии отрицателен:

где

μ.d ddEv

E E.0

– дифференциальная подвижность (μd = tg β);

v μ.e E

24

– статическая подвижность (μe = tg α).

Анализ распространения и усиления ВПЗ проведем для активной области УБВ (рис. 4.3). Дисперсионное уравнение для волн пространственного заряда в такой структуре может быть записано в самой общей форме:

В этих формулах: е – заряд электрона, ε1, ε2 – диэлектрические проницаемости полупроводниковой и диэлектрической пленок; vе – скорость дрейфа; μе – подвижность электронов; n – концентрация электронов; 2а – толщина пленки; ω – круговая частота; κ –поперечное волновое число, характеризующее распределение физических величин по толщине пленки о связанное с продольным волновым числом γ = α + iβ соотношением:

где βr = ωr/v0, βe = ω/v0

Анализ дисперсионного уравнения проводится последовательным приближением по коэффициенту диффузии D. В нулевом приближении полагаем D = 0, при этом решение получаем в виде

Делая допущение о малости постоянной затухания (нарастания) волны по сравнению с фазовой постоянной. т. е. |αn0|<<|βn0| можно показать, что βn0 = βe0, т. е. все моды в пленке имеют одинаковую фазовую скорость, равную скорости друйфа электронов. Постоянная нарастания находится из дисперсионного уравнения на основании равенства αn0 = κβr учетом выражений для δ и ζ виде

25

где n – номер моды

a.n0 - k×b.r z.n i×b.e× a.n0 - b.r

Учет влияния диффузии проводится в первом приближении при условии

слабой диффузии – такой, что |γ00| << v0/Dn , где γ0 = α0 + iβe. В этом случае дисперсионное уравнение дает два решения – для прямой и обратной волн:

v0 bd D

Влияние диффузии проявляется двояко. Во-первых, она создает для каждой моды обратную (диффузионную) волну. распространяющуюся навстречу дрейфу электронов за счет процесса диффузии и сильно затухающую, так как обычно bd » be Во-вторых, диффузия влияет на постоянные распространения прямых волн, существующих при D = 0. При этом слабая диффузия практически не возмущает фазовой скорости прямых волн, оставляя их вырожденными, т. е. vф = v0. За счет диффузии изменяется лишь постоянная затухания (нарастания) волны, при этом – различным образом в зависимости от характера границы потока со стороны диэлектрика. Если за счет потенциала на металле поток оттеснен от верхнего края полупроводниковой пленки, то граница является свободной. Если поток электронов не оттеснен от края пленки, то граница является жесткой. В соответствии с характером границы будут различаться граничные условия при решении дисперсионного уравнения. Нормированные постоянные за (нарастания) в первом приближении равны: для жесткой границы потока

26

для свободной границы потока

Для усиливаемых волн (α0 < 0) в режиме ОДП (κ < О) второе слагаемое в этих формулах положительно. Это означает, что диффузия существенным образом снижает усиление в области высоких частот: если при D = 0 каждая волна имеет на высоких частотах αmax, то при D = 0 диффузия подавляет усиление на высоких частотах ио тем самым ограничивает частотный диапазон.

Про исследовании процессов усиления ВПЗ, а также при разработке конструкции и топологии УБВ, обеспечивающего усиление сигнала в широкой полосе частот, необходимо знать зависимость частотной характеристики усиления от таких параметров полупроводниковой пленки, как коэффициент анизотропии κ, концентрация носителей заряда n, толщина пленки 2а, коэффициент диффузии D. Погонный коэффициент усиления G1 вычисляется как:

G1 = 8,68|a| дБ/мин

4.3. Экспериментальная установка

Имитационная модель УБВ на ВПЗ создана средствами LabWIEW (рис. 4.4). Входными параметрами модели являются: параметры пленки GaAs концентрация носителей заряда N, коэффициент анизотропии κ, коэффициент диффузии D) и параметры прибора (расстояние между входной и выходной антеннами, толщиной на пленки GaAs). Входные параметры устанавливают, вводя их значения в числовой форме с клавиатуры в соответствующее поле или с помощью мыши. Так, геометрические параметры прибора изменяют, установив курсор на край элемента (выходной антенны или пленки) и перемещая его при зажатой левой кнопке мыши. Коэффициент диффузии D изменяют аналогично при этом курсор должен быть установлен на движок соответствующего элемента управления. Параметры входного сигнала в данной имитационной модели остаются постоянными.

27

4.5.Порядок выполнения работы

1.Запустите программу LabVIEW соответствующей иконкой в среде

Windows.

2.Загрузите файл с имитационной моделью: File → Open, далее выберите необходимый файл из каталога.

3.«Включите» устройство, выбрав из функционального меню иконку .

4.Установите необходимые входные параметры и пронаблюдайте, как их изменение влияет на выходные параметры АЧХ. Зарисуйте графики.

5.«Выключите» установку, нажав кнопку ; после выполнения всех заданий выйдите из программы: File → Exit.

4.6. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Описание исследуемого прибора и принципа его действие.

3.Основные положения имитационной модели.

4.Описание порядка выполненных заданий, проиллюстрированных частотными характеристиками усиления и соответствующими пояснениями

полученных результатов. 5. Выводы.

Защита лабораторной работы состоит в выполнении задания, аналогичного 4.4 (по указанию преподавателя) без использования имитационной модели и проведения подобного расчета. Обоснуйте свой ответ с точки зрения физики процесса, а затем проверьте правильность качественной оценки с помощью имитационной модели.

4.7.Контрольные вопросы

1.Объясните причины возникновения ОДП в ТПС GaAs.

2.С помощью полескоростной характеристики v(E) GaAs поясните понятие коэффициента анизотропии.

3.Как в УБВ можно реализовать условия, соответствующие моделям жесткой и свободной границ для ВПЗ?

4.Как влияет диффузия для распространение и усиление ВПЗ.

5.Увеличивается или уменьшается коэффициента усиления УБВ при увеличении толщины полупроводниковой пленки и концентрации свободных электронов?

6.При какой границы потока (жесткой и свободной) на высоких частотах достигается максимум коэффициента усиления?

29

Перепеловский Вадим Всеволодович Михайлов Николай Иванович Филатов Дмитрий Николаевич

Моделирование элементов микроэлектроники в среде LabVIEW

Электронное учебное пособие

Редактор О. Р. Крумина

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Подписано в печать 10.06.14. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 2,0.

Гарнитура «Times New Roman». Тираж 10 экз. Заказ 109.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

30