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

Студент гр. 9201		Рауан М.
Преподаватель		Кондрашов А.В.

Санкт-Петербург

2022

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 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.

Рисунок 1 – Поперечное сечение УБВ на ВПЗ

Схематически структура УБВ изображена на рисунке 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 виде барьеров Шоттки (БШ), выполняющие функцию преобразования электромагнитной волны в волну пространственного заряда на входной БШ 2 и 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. Свойство такой среды определяются зависимостью средней скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля v(E) (рисунок 2). При E > E­_er (E­_er=3500 В/см для GaAs) коэффициент анизотропии отрицателен:

где – дифференциальная подвижность ( ); – статическая подвижность ( ).

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

,

где

– релаксационная частота в диэлектрике.

В этих формулах: q – заряд электрона, ε₁, ε₂ – диэлектрические проницаемости соответственно диэлектрической и полупроводниковой и полупроводниковой пленок; v₀ – скорость дрейфа; μ­_s – подвижность электронов; n – концентрация электронов; 2a­ – толщина пленки; ω – круговая частота; κ – коэффициент анизотропии, ζ – поперечное волновое число, характеризующее распределение физических величин по толщине пленки и связанное с продольным волновым числом γ=α+iβ соотношением:

,

где , .

Рисунок 2 – Полескоростная характеристика

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

,

где n – номер моды.

Делая допущение о малости постоянной затухания (нарастания) волны по сравнению с фазовой постоянной, т.е. можно показать, что , т.е. все моды в пеленке имеют одинаковую фазовую скорость, равную скорости дрейфа электронов. Постоянная нарастания находится их дисперсионного уравнения на основании равенства учетом выражений для δ и ζ виде

,

где .

Учет влияния диффузии проводится в первом приближении при условии слабой диффузии – такой, что , где γ₀=α₀+iβ_e. В этом случае дисперсионное уравнение дает два решения – для прямой и обратной волн:

;

,

где , .

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 . 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. v_ph=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 отнесен от верхнего края полупроводниковой пленки, то граница является свободной. Если поток электронов не оттеснен от каря пленки, то граница является жесткой. В соответствии с характером границы будут различаться граничные условия при решении дисперсионного уравнения. Нормальные постоянные затухания (нарастания) в первом приближении равны:

- для жесткой границы потока:

- для свободной границы потока:

Для усиливаемых волн ( ) в режиме ОДП ( ) 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 α_max, то при D = 0 диффузия подавляет усиление на высоких частотах и тем самым ограничивает частотный диапазон.

Основные положения имитационной модели:

Имитационная модель УБВ на ВПЗ создана средствами LabWIEW. Выходными параметрами модели являются: параметры пленки GaAs – концентрация носителей заряда N­_d, коэффициент анизотропии κ и параметры прибора (расточные между входной и выходной антеннами, толщина пленки GaAs, отношение величин диэлектрических проницаемостей GaAs и диэлектрической пленки управляющего электрода).

Амплитуда входного сигнала зафиксирована, частота входного сигнала может варьироваться в диапазоне от 3 ГГц до 20 ГГц. Это позволяет измерить АЧХ исследуемой модели. Имитационная модель выводит значение коэффициента усиления в относительных единицах.