Методическое пособие 751

УДК 534.242

В.И. Митрохин, В.А. Логинов*, С.В. Железный**, А.Д. Анисимов

ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ, ЛЕГИРОВАННОМ ПРИМЕСЬЮ ЖЕЛЕЗА

Работа посвящена анализу влияния оптической генерации свободных носителей заряда на акустоэлектронную релаксацию, связанную с пьезоэлектрическим эффектом, в монокристаллическом арсениде галлия, легированном примесью железа.

Высокоомные монокристаллы арсенида галлия широко используются в качестве подложек для СВЧ микросхем, а также в качестве фоточувствительных материалов в оптоэлектронике. Для получения полуизолирующих свойств таких кристаллов в них вводят при выращивании примеси металлов переходной группы, создающие глубокие примесные уровни вблизи середины запрещенной зоны, которые захватывают свободные электроны или дырки. Наиболее часто используют примеси хрома, железа марганца или кобальта. Существует также технология выращивания высокоомного арсенида галлия методом создания избыточного давления мышьяка. При этом дефекты нестехиометрии также образуют глубокие уровни (типа EL2), выполняющие роль ловушек фоновых свободных носителей заряда. Наибольшее удельное сопротивление имеют кристаллы, легированные хромом, создающем уровень с энергией ионизации вблизи 0,75 эВ. В то же время набольшей подвижность электронов обладают кристаллы арсенида галлия, легированные примесью железа, что предопределяет их использование в СВЧ диапазоне.

В данной работе представлены результаты исследования влияния оптического излучения на внутреннее трение (ВТ) в арсениде галлия с примесью железа. Так как соединения типа А3В5 обладают пьезоэлектрическими свойствами, то для них существенным является взаимодействие свободных носителей заряда с пьезоэлектрическим полем звуковой волны. Оптическая генерация носителей заряда вносит изменения в характер акустоэлектронных релаксационных процессов, то есть влияет на внутреннее трение кристаллов. Это позволяет получить дополнительную информацию о характере воздействия оптического излучения на процессы перезарядки глубоких центров.

Внутреннее трение измерялось в полупроводниковых пластинах арсенида галлия размером 20 × 5 × 04 мм3 по методу затухающих свободных изгибных колебаний образца, подвешенного горизонтально на двух кварцевых нитях толщиной 50 мкм. [1 – 3].

50

На начальном участке кривых, показанных на рис. 2, концентрация неравновесных носителей заряда ( n, p) меньше концентрации равновесных носителей n0, p0, обусловленных тепловой генерацией ( n << n0, p << p0). Это соответствует низкому уровню возбуждения. Возрастание концентрации неравновесных свободных носителей с одной стороны приводит к расширению низкотемпературной и высокотемпературной ветвей пика ВТ и повышению величины ВТ на указанных температурах, а с другой – к повышению уровня потерь за счет усиления релаксационного взаимодействия носителей с пьезоэлектрическим полем звуковой волны. На участке спада кривой при Е больше 0,4 Еmax скорее всего наблюдается высокий уровень возбуждения, при котором концентрация неравновесных носителей сравнима или превышает равновесную концентрацию (( n ≥ n0, p ≥ p0). При этом избыточная концентрация носителей настолько возрастает, что начинает экранировать пьезоэлектрическое поле, что автоматически уменьшает уровень релаксационных потерь по описанному механизму. На максимуме кривой, показанной на рис. 2, суммарная концентрация оптически и термически активированных носителей по абсолютной величине примерно сравнивается с концентрацией пьезоэлектрических зарядов, индуцируемых деформацией пластины при ее изгибе.

Литература

1.Внутреннее трение, связанное с глубокими уровнями в полярных полупроводниках / В. И. Митрохин [и др.] // Физика твердого тела. – 1985. – Т.

27.– № 7. – С. 2081-2085.

2.Acoustic probing of deep centers in Ш-V semiconductors / V. I. Mitrokhin [et al.] // Phys. Status Sol. (a). – 1990. – V. – 119. – № 2. – P. 535-544.

3.Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках с глубокими центрами / В. И. Митрохин [и др.] // ФТП.

– 2002. – Т. 33. – Вып. 2. – С. 138-143.

4.Новик А. Релаксационные явления в кристаллах / А. Новик, Б. Берри. М. : Атомиздат, 1975. – 472 с.

Воронежский государственный технический университет

*Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», г. Воронеж

**Воронежский институт МВД России

53

УДК 681.396.596

А.В. Злобин, В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков

ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ ФАПЧ ЗА СЧЕТ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Предложены два варианта организации адаптивного управления скоростью переходных процессов в системе ФАПЧ с использованием дробно-пропорционального и интегрирующего ФНЧ 2-го порядка. Показано, что при незначительном изменении структур ФНЧ время установления стационарного режима можно изменять в широких пределах.

Современные программируемые интегральные схемы (ПЛИС) зачастую в качестве встраиваемых IP-блоков содержат системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), позволяющие расширять диапазон их рабочих частот и задействовать высокоскоростные интерфейсы приема – передачи данных. Полностью интегрированные системы ФАПЧ имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при их проектировании: отсутствие индуктивностей, ограниченность номиналов пассивных элементов R и C, доступность, что хорошо, большого числа активных компонентов с возможностью изменения их параметров, а также необходимость учета шумовых свойств, обусловленных тепловыми явлениями и флуктуациями носителей заряда в полупроводниковых структурах. При этом наиболее востребованы быстродействующие системы ФАПЧ на основе кольцевых генераторов, управляемых напряжением (ГУН), в которых источником периодического сигнала служит цепочка фазоинверторов

впетле обратной связи (ОС) ФАПЧ [1, 2].

Вкачестве объекта исследования рассмотрим структуру достаточно распространенной однопетлевой цифроаналоговой системы ФАПЧ (рис. 1), где fвх

– входная частота эталонного генератора, ФД – фазовый детектор, ГПЗ – генератор подкачки заряда, ФНЧ – фильтр нижних частот. Известно [2, 3], что основными параметрами, определяющими время установления стационарного

Рис. 1. Типовая блок-схема однопетлевой цифроаналоговой системы ФАПЧ

54

режима y системы ФАПЧ, являются ширина полосы пропускания контура ОС fk (фактически полоса пропускания ФНЧ), величина тока накачки IH ГПЗ и быстродействие ГУН, связанное с переходными процессами в его фазовращателях, причем обязательным условием выступает обеспечение стабильности системы за счет достаточного запаса по фазе в петле ОС.

К настоящему времени показано [2, 4], как влияет на величину y полоса пропускания ФНЧ и как ускорить переходные процессы в самом ГУН, однако открытыми остаются вопросы одновременного управления значениями fk и IH. Для решения этих вопросов необходимо:

–определить структуру элементов ФАПЧ, допускающую эффективное управление fk и IH при сохранении условий стабильности;

–промоделировать характер переходных процессов в системе ФАПЧ для различных законов изменения fk и IH, обеспечивающих повышение быстродействия.

Поскольку для большинства приложений в системе ФАПЧ достаточно использовать RC-ФНЧ 2-го порядка, то ее обычный открытый контур ОС имеет

вид рис. 2, где КФД и КГУН – передаточные функции ФД и ГУН соответственно, p = + j – оператор Лапласа.

Рис. 2. Структура открытого контура ОС однопетлевой системы ФАПЧ с RC-ФНЧ 2-го порядка

Для анализа эффективности адаптивного управления fk и IH в структуру ФНЧ нужно ввести управляющие параметры, например, использовать дополнительный вход (рис. 3). В этом случае операторная форма управляющего напряжения Uупр(p), полученная с помощью теории сигнальных графов [1], будет иметь вид:

Рис. 3. Изменение полосы пропускания петли ОС ФАПЧ с помощью подачи дополнительного тока

55

Для окончательной записи Uупр(p) следует определить операторный вид IH(p), который зависит от формы IH(t), например, для постоянного IH(t) = I0 (рис. 4, а)IH(p) =I0/p, ступенчатого (рис. 4, б) и т. д. Другие варианты соответствия IH(t) и IH(p) приведены в таблице [5], где 1(t) – функция единичного скачка при t = 0. Использование IH(t) = I0 = const (см. рис. 4, а) приводит к линейному нарастанию Uупр(t), то есть расходимости процесса, поэтому чаще всего IH(t) имеет вид ступенчатых импульсов (см. рис. 4, б), заряжающих или разряжающих емкости ФНЧ [6], т.е. .

Рис. 4. Зависимость тока накачки ГПЗ от времени: а – IН = I0 = const; б – ступенчатая; в – экспоненциальная

IH(t)

IH(p)

В этом случае (таблица) , однако для получения пе-

Для обеспечения устойчивости работы петли ОС ФАПЧ, т.е. достаточного запаса по фазе, желательно, чтобы нуль передаточной функции (2) на оси плоскости p располагался ближе к оси j , чем полюс на оси , т.е. выполнялось условие [4], откуда . Далее, вводя обозначения

; и нормировку RC = 1, уравнение (2) можно привести к виду:

56

где , что в соответствии с аддитивностью обратного преобразова-

ния Лапласа позволяет получить (таблица)

где при t стационарное значение .

Из (4) видно, что скорость нарастания амплитуды Uупр(t) и колебательность переходного процесса будет определять соотношение параметров k и

(m), поскольку при t 0 значения могут многократно пре-

вышать . Возможно, что полученный результат связан с линейным при-

ближением в разложении , которое справедливо только при p (t ). Картина несколько меняется, если зависимость IH(t) носит экспоненци-

альный характер (рис. 4, в). В этом случае и, соответственно, (для простоты расчетов при k = 0)

(5)

снова содержит две компоненты, обратное преобразование которых [5] приводит к

Более подробно изменения Uупр(t) для различных значений и приведены на рис. 5, откуда видно, что оптимальным выбором и можно обеспечить как высокую скорость нарастания, так и малую колебательность переходного процесса.

Более интересным с точки зрения ускорения переходных процессов в системе ФАПЧ выглядит включение ФНЧ согласно рис. 6, где точка подачи входного тока ГПЗ изменена, т.е. пропорционально-интегрирующий вариант ФНЧ 2-го порядка заменяется на чисто интегрирующий. В этом случае Uупр(p) принимает вид:

(7)

.

Для ступенчатого изменения Iвх(t) его операторная форма

57

Рис. 5. Зависимость при различных и

, т.е. оригинал Uупр(p) согласно таблице может быть

записан как

а время нарастания tH до уровня 0,9 при будет равно времени установления . Очевидно, что при фиксированном значении

RC tу можно изменять в заметных пределах.

Адаптивное управление величиной m можно организовать с помощью дополнительной емкости C0 (рис. 7) при выполнении условия С0 + С1 + С2 С,

где ключ К, управляемый выходным напряжением, в начале переходного процесса должен находиться в положении 1, а по достижении Uупр(t) уровня, например, 0,9, переключаться в положение 2. При этом значение m будет

изменяться в интервале от до , что открывает широкие воз-

можности для управления tH без изменения постоянной времени ФНЧ. Анализ приведенного материала позволяет сделать следующие выводы:

–наиболее простым и эффективным вариантом организации адаптивного управления скоростью переходных процессов в системе ФАПЧ с ГПЗ и ФНЧ 2-го порядка представляется схема (см. рис. 7), обеспечивающая максимальную гладкость переходной характеристики и широкий диапазон изменения времени нарастания за счет одного дополнительного элемента (ключа, управляемого напряжением);

–при выборе коэффициента отношения емкостей m следует соблюдать особую осторожность, поскольку его величина влияет на устойчивость работы системы ФАПЧ.

Литература

1.Клюкин В. И. Схемотехника электронных устройств: учеб. пособие / В. И. Клюкин, Ю. К. Николаенков, Е. Н. Бормонтов. – Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2019. – 174 с.

2.Злобин А. В. Моделирование блока восстановления тактовой частоты и данных на основе схемы фазовой автоподстройки частоты / А. В. Злобин, В. И. Клюкин, Ю. К. Николаенков // Изв. вузов. Электроника. – 2021, Т. 26. – № 3-4.

–С. 324-327.

3.Banerjee D. Pll Performance, Simulation, and Design / D. Banerjee. – Dean Banerjee Pubns, 2003. – 249 р.

4.Бормонтов Е. Н. Влияние параметров фильтра нижних частот на характеристики ФАПЧ / Е. Н. Бормонтов, В. И. Клюкин, С. А. Быстрицкий // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр.; ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж : Издво ВГТУ, 2009. – Вып. 8. – С. 4-9.

5.Белецкий А. Ф. Основы теории линейных электрических цепей / А. Ф. Белецкий. – М. : Связь, 1967. – 608 с.

6.Бормонтов Е.Н. Система фазовой автоподстройки частоты для ПЛИС / Е. Н. Бормонтов, В. И. Клюкин, С. А. Быстрицкий // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр.; ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж : Изд-во ВГТУ, 2008. – Вып. 7. – С. 95-102.

Воронежский государственный университет

59