2) Исследование влияния значения толщины пленки на ачх усилителя:

Рис.4. АЧХ усилителя при различной толщине пленки

Рис.5. АЧХ усилителя при различной толщине пленки

При уменьшении толщины пленки усиление уменьшается. Это связано с различным влиянием диффузии при режимах жесткой и свободной границах. Диффузия существенно снижает коэффициент усиления и ограничивает частотный диапазон в области высоких частот. Влияние диффузии сильнее проявляются при жесткой границе потока в тонких слоях. Реализация свободной границы увеличивает частотный диапазон. При увеличении толщины, границы между моделями стираются, а влияние диффузии снижается. То есть в свободной границе диффузия влияет слабо, так как влияние граничных условий незначительно из-за наличия поперечной составляющей диффузионного тока, которая уменьшает продольную составляющую, следовательно, та переносит меньшее количество электронов из зоны с большей концентрации зарядов в меньшую. В режиме жесткой границы поперечная составляющая стремится к нулю, а продольная начинает расти, т.к. полное значение диффузионного тока не изменяется, наблюдается спад коэффициента усиления. Диффузия создает обратную волну, которая распространяется в направлении, противоположном направлению дрейфа электронов, и препятствует их модуляции и усилению.

С уменьшением толщины пленки влияние частоты на коэффициент усиления становится сильнее, это связано с рассеиванием сгустков ВПЗ на дефектах границы. При оттеснении потока от границы (квазисвободная граница потока) влияние дефектов уменьшается. При малых значениях толщины пленки, рассеяние ВПЗ на границах структуры усиливается (жесткая граница потока), влияние диффузии становится больше, из-за ограниченного пространства для распространения «сгустков» зарядов.

3) Исследование влияния значений расстояния между входной и выходной антенной на ачх усилителя:

Рис.6. АЧХ усилителя при различном расстоянии между входной и выходной антенной

С увеличением расстояния между входной и выходной антенной возрастает коэффициент усиления из-за увеличения длины области, в которой происходит нарастание волн пространственного заряда.

Из-за того, что носители имеют разную скорость, а также стремятся перейти из областей с меньшей концентрацией в области с большей концентрацией, происходит модуляция по плотности. При большем расстоянии между антеннами сигнал фиксированной частоты пройдёт больше периодов, что увеличит модуляцию и, соответственно, приведёт к большему усилению волны (амплитуда волны с каждым периодом будет становиться больше).

4) Исследование зависимости коэффициента усиления от толщины пленки при разных частотах

Рис.7. Зависимость усиления от толщины пленки при разных частотах

Рис.8. Зависимость усиления от толщины пленки

Рис.9. Зависимость усиления от толщины пленки

При увеличении толщины пленки растет коэффициент усиления, потому что уменьшается влияние граничных условий на поток, то есть появляется поперечная составляющая диффузионного тока. Также при росте частоты наблюдаем падение КУ, так как растет влияние диффузии, уменьшающую амплитудную постоянную, что уменьшает усиление. Рост толщины пленки ведет к увеличению электронов, которые описываются моделью свободной границы.

Влияние диффузии на АЧХ для моделей жесткой и свободной границ:

Модель жесткой границы реализуется при малой толщине пленки, когда поток электронов не оттеснен от границы. Именно тогда и появляется сильная зависимость коэффициента усиления от частоты, что объясняется уменьшением объема сгустков заряда. Также здесь существует сильная зависимость коэффициента диффузии от частоты, что также влияет на усиление.

В модели свободной границы, которая проявляется при больших толщинах пленки GaAs, коэффициент усиления не зависит от частоты и постоянен при дальнейшем увеличении толщины пленки, а также практически не зависит от диффузии. Поэтому здесь также можно получить наибольшее усиление.

При толщинах плёнки больше 6 мкм, вне зависимости от частот, на которых мы используем УБВ, практически полностью перестаёт сказываться диффузия, т.е. происходит переход от жесткой границы к свободной. Т.е. электроны, в силу толщины плёнки и наличия большего свободного пространства, оттесняются от границы п/п в объём плёнки. При одинаковой толщине коэффициент усиления меньше на более высоких частотах. За меньший период сгусткам пространственного заряда сложнее сформироваться. Вследствие наличия градиента концентраций («сгустков» и «разрежений») происходит размытие сгустков. На низких частотах есть достаточное время, чтобы сформировался пространственный заряд, т.н. «сгусток», достаточной плотности. Он размывается вследствие диффузии относительно не сильно, тогда как на заряд меньшей плотности диффузия будет влиять заметно сильнее, что и отображает приведённая выше зависимость.

Исходя из вышесказанного, можно сказать, что получить наибольшее усиление возможно на высоких частотах при свободной границе, т.к. в этом случае коэффициент диффузии меньше. Для этого в структуре УБВ присутствует управляющий электрод, с помощью которого поток отодвигается от границы. В то время как на более низких частотах лучше использовать модель жесткой границы.

5) Подбор значений концентрации носителей заряда и толщины структуры УБВ, обеспечивающие усиление 40 дБ на частоте до 15 ГГц при расстоянии между антеннами L = 5 мм и K = -0,1:

Рис.10. Имитационная модель УБВ на ВПЗ

Подобранные параметры:

L = 5 мм

N=2,8*10²⁰ м^–3

A = 4,59 мкм

f=15 ГГц

к= -0,1

G=40 дБ

Отношение амплитуд выходного и входного сигналов равняется 100,000

Выводы:

В работе был изучен УБВ, построены его АЧХ и зависимость усиления от толщины пленки. С увеличением уровня легирования коэффициент усиления растет, что связанно с увеличением концентрации носителей в пленки. С уменьшением толщины GaAs влияние частоты на коэффициент усиления становится сильнее. При увеличении расстояния коэффициент усиления растет. Из-за влияния диффузии, по мере роста частоты коэффициент усиления уменьшается.