Методическое пособие 751

В работе представлены результаты исследования многослойной наносистемы Ni/ZrO2, полученной методом ионно-лучевого распыления двух мишеней (1 – сплавная никелевая мишень, 2 – оксидная мишень ZrO2) и осаждения материала на подложки, которые перемещались мимо мишеней. Напыление происходило в таком режиме, что между подложкой и никелевой мишенью был поставлен V-образный экран, который позволял неравномерно распределять слой никеля (рис. 1). Напыление происходило в таком режиме, что полученные образцы отличаются друг от друга толщиной слоя Ni, при этом диэлектрический слой ZrO2 во всех образцах имеет одинаковую толщину (рис. 2) [1].

Рис. 1. Схема распыления никелевой мишени через V-образный экран: 1 – подложкодержатель с ситалловыми подложками (полосками); 2 – V-образный экран; 3 – никелевая мишень;

4 – поток атомов, движущийся от распыляемой мишени

Рис. 2. Вид подложки, где показана разная толщина слоя Ni, из которой получают образцы: слева – дискретные слои из гранул никеля; справа – сплошные никелевые слои

Результаты общей рентгеновской дифракции полученных образцов (рис. 3) свидетельствуют о том, что фаза диоксида циркония аморфная, а фаза никеля – кристаллическая. Форма и высота «никелевого» пика свидетельствует

100

о том, что металлическая фаза мелкозернистая, причем, с увеличением толщины никелевых слоев средний размер зерна возрастает.

Рис. 3. Общая дифракция многослойной системы Ni-ZrO2 с разной толщиной слоя Ni

Малоугловая рентгеновская дифракция (рис. 4) подтверждает многослойность полученной структуры: на зависимостях присутствуют периодические осцилляции интенсивности, характерные для слоистой структуры [2]. Исключение составляет образец с минимальной толщиной никелевого слоя (см. рис. 4, кривая 1). Это позволяет предполагать, что при таких номинальных толщинах металлического слоя он не является сплошным, а представляет собой совокупность никелевых наногранул, распределенных в слоях диоксида циркония.

Рис. 4. Малоугловая рентгеновская дифракция многослойной системы Ni-ZrO2 с разной толщиной слоя Ni

Зависимость электрического сопротивления многослойной наносистемы Ni/ZrO2 от толщины слоя Ni имеет ярко выраженный нелинейный характер (рис. 5), аналогичный концентрационной зависимости сопротивления композитных систем металл-диэлектрик [3, 4]. На зависимости выделяются три участка. I – высокорезистивная область соответствующая структуре с несплошными слоями никелевой фазы. II – область аналогичная порогу перколяции в ком-

101

позитах, в данном случае это интервал толщин, когда происходит формирование сплошных никелевых слоев из отдельных гранул. Эта область характеризуется резким уменьшением сопротивления на три порядка, при увеличении номинальной толщины никеля на 1 нм, что связано с изменением механизма электропереноса (от неметаллического к металлическому). В области III слои никеля сплошные, поэтому значительное увеличение их номинальной толщины (от 3 до 10 нм) слабо влияет на значение сопротивления многослойной структуры.

Рис. 5. Зависимость электрического сопротивления многослойной наноструктуры Ni-ZrO2 от толщины слоя Ni

Отсутствие сплошности слоев никеля при толщинах 1 – 2 нм, подтверждается наличием магниторезистивного эффекта в данных образцах, что стимулирует на поиск высокочастотного (оптического) отклика на этот эффект, рассматриваемого как изменение коэффициента отражения (R) и пропускания (T) электромагнитного излучения под действием магнитного поля [5].

В многослойных наноструктурах (Ni/ZrO2)45 наблюдается отрицательный магниторезистивный эффект (рис. 6, 7), который не зависит от взаимной ориентации тока и поля, то есть природа эффекта – туннельная. Это подтверждает то,

H, Oe

Рис. 6. Полевые зависимости магнитосопротивления наноструктур (Ni/ZrO) 45 для разной толщины никеля:

1 – 1,9 нм; 2 – 1,98 нм; 3 – 2,07 нм; 4 – 2,16 нм; 5 – 2,45 нм

102

что при толщинах никелевых слоев менее 3 нм они являются дискретными и состоят из отдельных гранул. Максимальное значение магнитосопротивления приходится на толщину 2,45 нм. При таких толщинах начинается формирование перколяционных кластеров с металлической проводимостью, следствием чего является смена механизма электропереноса. При толщинах никеля более 2,5 нм магнитосопротивление быстро уменьшается вплоть до полного исчезновения. В сплошных слоях никеля магниторезистивный эффект не возникает.

Thickness of Ni layer, nm

Рис. 7. Зависимость магнитосопротивления многослойной наноструктуры (Ni/ZrO)45 от толщины слоя никеля

Литература

1.Стогней О. В. Термическая стабильность многослойной наноструктуры Mg/NbO / О. В. Стогней, А. Н. Смирнов, А. В. Ситников // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2017. – Т. 13. – Вып. 6. – С. 144-150.

2.Polarized neutron reflectometry: Recent developments and perspectives / G. P. Felcher [et al.] // Physica B. – 2001 – V. 297. – P.87-93.

3.Влияние типа матрицы на магнитотранспортные свойства композитных систем Ni-AlO и Ni-NbO / О. В. Стогней [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2016. – № 6. – С.724-730.

4.Золотухин И. В. Физика наносистем: графены и гранулированные нанокомпозиты: учеб. пособие / И. В. Золотухин, О. В. Стогней. – Воронеж : ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. – 226 с.

5.Особенности магниторефрактивного эффекта в многослойной металлической наноструктуре [CoFe/Cu]n / А. Н. Юрасов [и др.] // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60. – Вып. 2. – С. 276-282.

Воронежский государственный технический университет

103

УДК 621.372

Т.В. Свистова, А.С. Копиев

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Работа посвящена исследованию особенностей конструкции модуля фазовой автоподстройки частоты.

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является фундаментальным строительным блоком современных систем связи. ФАПЧ обычно используются для обеспечения функции гетеродина в радиоприемнике или передатчике; они также используются для распределения тактового сигнала и уменьшения шума и все чаще в качестве источника тактового сигнала для ана- лого-цифрового (A / D) преобразования с высокой частотой дискретизации [1].

Самая простая конструкция ФАПЧ состоит из фазового детектора, фильтра низких частот и генератора, управляемого напряжением (ГУН). Блоксхема ФАПЧ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема простейшего ФАПЧ

Принцип работы, на первый взгляд, довольной простой. На Fref фазового детектора приходит сигнал с внешнего источника частоты и сравнивается с сигналом, приходящим с ГУН. Далее формируется сигнал, увеличивающий или уменьшающий частоту генератора. Но такую схему можно использовать только для ознакомления с принципами работы ФАПЧ. Для использования в какомлибо устройстве к схеме, представленной на рис. 1, нужно добавить блоки делителей. Обычно их три, с индексами: N – выходной блок, P – блок обратной связи и Q – входной блок. Схема ФАПЧ с делителями представлена на рис. 2.

104

Такой вид схемы – это очень большое упрощение, так как схемы, используемые в реальных устройствах, гораздо сложнее.

Рис. 2. Схема ФАПЧ с делителями

Теперь остановимся подробней на каждом блоке, представленном в схеме.

Блоки делителей обычно представляют собой каскад из делителей разного номинала. Для достижения большего диапазона регулировки выходы первых делителей связывают со входами следующих. Таким образом, используя, к примеру, всего три делителя с номиналом деления 2, 4 и 8 на одном блоке можно получить диапазон деления от 2 до 64. Для того, чтобы шаг деления был не только по степени двойки, как раз и используют три блока делителей. Общий коэффициент деления высчитывается по формуле

.

В роли самого простого фазового детектора может выступать элемент «исключающее ИЛИ», но, как и в случае со схемой на рис. 1, только для рассмотрения принципа работы. Сейчас в основном используются цифровые фазовые детекторы, которые более надежны и улавливают меньше помех. Пример схемы простого фазового детектора приведен на рис. 3. Этот схема предназначена для управления генератором, управляющее напряжение в котором приходит на затвор p-канальных транзисторов.

Фильтры низких частот (ФНЧ) используют как аналоговые, так и цифровые. Выберем простейший RC-фильтр. Правильная настройка частоты среза фильтра имеет очень важное значение для работы ФАПЧ. Если частота среза подстроена неправильно, частота входного сигнала и сигнала с ГУН, скорее всего, синхронизируется, но один сигнал будет отставать от другого по фазе, что отображено на рис. 4.

105

Рис. 3. Схема фазового детектора с простейшим фильтром низких частот

Рис. 4. Сигналы при неправильной настройке ФНЧ

Генератор, управляемый напряжением – это практически основной элемент ФАПЧ. ГУН можно разделить на две группы. Первая группа управляется напряжением питания и соответственно, чем ближе управляющее напряжение к напряжению питания транзисторов, тем больше частота генератора. Вторая группа управляется напряжением, приходящим на затвор p-канальных транзисторов, соответственно в них наоборот, чем ближе напряжение к нулю, тем больше частота. Генератор из первой группы можно сделать на основе простого кольцевого генератора на обычных инверторах, а генераторы из второй группы строятся на дифференциальных инверторах (рис. 5, б) [2].

Рассмотрим генератор из второй группы. Vcm, Vc и Vcp – входы, на которые приходит управляющее напряжение. Как видно на схеме, эти входы идут на затворы p-канальных транзисторов. При повышении напряжения эти транзисторы «понемногу закрываются», понижая тем самым скорость работы схемы. На выходе Q– будет тот же сигнал, что и на входе D+, поэтому в варианте с четным количеством инверторов сигнал с выхода Q– идет на вход D– только в

106

одной паре. В варианте с нечетным количеством инверторов сигнал с выхода Q– всегда идет на вход D– следующего инвертора. Предел частоты такого генератора можно подстроить еще на этапе проектирования, меняя количество инверторов в схеме.

а

б

Рис. 5. Пример генератора, управляемого напряжением:

а– схема ГУН на четном количестве дифференциальных инверторов;

б– схема дифференциального инвертора

Литература

1.Harney A. Designing high-performance phase-locked loops with highvoltage VCOs / A. Harney // Analog Dialogue. – 2009. – V. 43. – № 12. – P. 13-16.

2.Быстрицкий С. А. Кольцевой генератор, управляемый напряжением, для высокоскоростных систем ФАПЧ / С. А. Быстрицкий, В. И. Клюкин, Е. Н. Бормонтов // Известия ВУЗов. Электроника. – 2013. – № 6 (104). – С. 17-23.

Воронежский государственный технический университет

107

УДК 538.975

Т.В. Свистова, И.С. Кравченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТАЛЛООКСИД–КРЕМНИЙ

Работа посвящена исследованию свойств гетероструктур типа металлооксидкремний как перспективных элементов для солнечной энергетики. Исследованы вольт-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика в фотогальваническом режиме, люкс-амперная характеристика, вольт-фарадная характеристика. Установлено, что гетероструктуры обладают токами короткого замыкания и напряжениями холостого хода, что позволяет рассматривать их как основу для изготовления солнечных элементов.

Солнечная энергетика – это одно из перспективных направлений развития альтернативных возобновляемых источников электроэнергии. Проблема невысокой эффективности наиболее распространенных солнечных батарей состоит в том, что в типичном кремниевом солнечном элементе преобразуется узкий спектр излучения, соответствующий ширине запрещенной зоны полупроводника. Поэтому для улучшения показателя преобразования падающего солнечного света в электроэнергию потребуется расширить спектр поглощаемого света. Используя многослойные гетероструктуры, например, на основе монокристаллических кремниевых подложек и прозрачного металлооксидного слоя можно расширить спектр поглощаемого света. Электрофизические свойства и значения ширины запрещённой зоны металлооксидных полупроводников позволяют охватить более широкий диапазон солнечного спектра, по сравнению с кремнием. В работе [1] описана гетероструктура, содержащая изготовленный золь-гель методом n-ZnO на p-Si, при этом напряжение холостого хода и ток короткого замыкания не удалось измерить. Более обнадеживающие результаты получены в работе [2] на гетероструктурах n-ZnO/p-α-Si.

Цель работы – исследование фотоэлектрических свойств гетероструктур n-ZnO (с добавкой 2,42 % Al)/p-Si, как перспективных элементов для солнечной энергетики и прозрачной электроники.

Гетероструктуры n-ZnO (2,42 % Al)/p-Si изготовлены методом ионнолучевого распыления составных керамических мишеней на подложки из монокристаллического кремния марки КДБ-10 (110). Для измерения электрических параметров гетероструктур на слой оксида цинка нанесены алюминиевые контакты диаметром 1 мм.

Вольт-амперные характеристик (ВАХ) измерялись стандартным методом [3] по точкам на зондовой установки с использованием источника напряжения

108

DC Power Suply HY3005 и цифрового мультиметра MASTECH M3900 в режиме амперметра и вольтметра. При исследовании ВАХ структуры в фотогальваническом режиме используется магазин сопротивлений Р33. Вольт-фарадные характеристик (ВФХ) измерялись на лабораторного измерителя ВФХ с внутренним источником регулируемого постоянного напряжения смещения. Измерения проводятся на частоте сигнала 500 кГц. ВАХ и ВФХ измерялись на установке с имитацией солнечного света. В качестве источника излучения использовалась лампа накаливания, обеспечивающая освещённость до 3000 лк. Освещенность измерялась цифровым измерителем освещенности MASTECH LUXMETER MS6610.

На рис. 1 приведены вольт-амперные характеристики гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si измеренные в интервале от -17 до +17 В без воздействия света (E = 0,02 лк) и при различной освещенности (E = 100 – 2100 Лк).

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики гетероструктуры n-ZnO(Al)/p-Si при различной освещенности

Прямой темновой ток при напряжении U = 17 В составил 157,8 мА, темновой обратный ток при U= -17 В – 0,408 мА. Вид вольт-амперных характеристик свидетельствует о том, что гетероструктуры обладают выпрямительными свойствами. При освещенности 1700 лк значение максимального прямого тока гетероструктуры увеличивается 1,13 раза, а максимального обратного в

3,95 раза.

Форма обратной и прямой ветви ВАХ при освещении практически не изменяется, но на прямой ветви ВАХ наблюдаются два участка: при напряжениях до 5 В и более 5 В, появление которых может быть обусловлено различными механизмами протекания тока.

Установлено, что при освещенности 3500 лк максимальный ток короткого замыкания составляет 15,6 мкА, а напряжение холостого хода – 400 мВ

(рис.2).

109