МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Микро- и наноэлектроника»

Тема: Усилитель бегущей волны на основе волн пространственного заряда

Студенты гр. 82
Преподаватель		Кондрашов А.В.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы: изучение основных закономерностей распространения и усиления волн пространственного заряда (ВПЗ) в тонкопленочных полупроводниковых структурах (ТПС) с отрицательной дифференциальной подвижностью (ОДП), исследование влияния геометрических и электрофизических параметров структуры на частотные характеристики усилителя бегущей волны (УБВ).

Основные теоретические 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.

Рис.1. Поперечное сечение УБВ на ВПЗ

Схематически структура УБВ изображена на рис. 1. УБВ состоит из эпитаксиальной плёнки GaAs n-типа проводимости, выращенной на полуизолирующей подложке. На поверхности эпитаксиальной плёнки нанесён слой диэлектрика (4) и сформированы: омические контакты (1, 6), создающие дрейфовый поток электронов вдоль плёнки: контакты в виде барьеров Шоттки (БШ), выполняющие функция преобразования электромагнитной волны в волну пространственного заряда на входной БШ (2) в обратное преобразование на выходной БШ (5); управляющий электрод (3) для управления характером границы потока носителей заряда посредством подачи на него соответствующего потенциала.

Экспериментальная установка

Имитационная модель УБВ на ВПЗ создана средствами комплекса LabVIEW. Входными параметрами модели являются: параметры плёнки GaAs – концентрация носителей заряда N, коэффициент анизотропии χ и параметры прибора (расстояние между входной и выходной антеннами, толщина плёнки GaAs, отношение величин диэлектрических проницаемостей GaAs и диэлектрической плёнки управляющего электрода). 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 плёнки) и перемещая его зажато левой кнопке мыши.

Рис.2. Имитационная модель УБВ на ВПЗ.

Амплитуда входного СВЧ сигнала зафиксирована, частота входного сигнала может варьироваться в диапазоне от 3 ГГц до 20 ГГц. Это позволяет измерить АЧХ исследуемой модели, т.е. зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала. Имитационная модель выводит значение коэффициента усиления в отн.ед., что следует учитывать при обработке экспериментальных данных.

Обработка результатов эксперимента

1) Исследование влияния значения концентрации донорной примеси на ачх усилителя:

Рис.3. АЧХ усилителя при различной концентрации донорной примеси

Коэффициент усиления (КУ) практически не зависит от частоты, но в то же время зависит от концентрации донорной примеси в пленке. С ростом концентрации растет и КУ, так как увеличивается проводимость пленки , что приводит к росту релаксационной частоты . Это приводит к увеличению эквивалентной фазовой постоянной ,из-за которой растет по модулю амплитудная постоянная (коэффициент анизотропии ). Совокупность этих параметров приводит к росту КУ, т.к. при происходит усиление. Управление потоком заряженных частиц в УБВ на ВПЗ похоже на управление током в ПТШ. При повышении концентрации примесей происходит повышение эффективности управления, то есть увеличивается крутизна. Это вызывает появление большей зарядовой неоднородности при том же самом воздействии на входную антенну.