Лабы Михайлов / 3 Лаба / Лаба 3

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. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

Преподаватель _________________ Михайлов Н.И.

Санкт-Петербург

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение основных закономерностей распространения и усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной подвижностью, исследование влияния геометрических и электрофизических параметров структуры на частотные характеристики усилителя бегущей волны.

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 ИЗМЕРЕНИЙ

1. Влияние значения концентрации донорной примеси на АЧХ усилителя при фиксированных параметрах: а = 1,5 мкм, L =3,5 мм

Рис. 3 – АЧХ усилителя при различной концентрации донорной примеси

Рис. 4 – АЧХ усилителя при N_d = 1,15 10²⁰ м^-3

Рис. 5 – АЧХ усилителя при N_d = 0,85 10²⁰ м^-3

Рис. 6 – АЧХ усилителя при N_d = 0,45 10²⁰ м^-3

Анализируя зависимость АЧХ усилителя бегущей волны, делаем вывод, что АЧХ УБВ в значительной степени зависит от значения концентрации донорной примеси, а именно: в случае увеличения концентрации донорной примеси также увеличивается и коэффициент усиления УБВ.

Объясним данное явление, используя следующие соотношения: проводимость пленки УБВ напрямую зависит от концентрации донорной примеси, то есть, при увеличении концентрации примеси проводимость пленки УБВ возрастает. С увеличением проводимости пленки УБВ возрастает и релаксационная частота:

где – подвижность носителей заряда в полупроводнике, в данном случае – электронов.

С увеличением релаксационной частоты в значительной степени увеличивается и эквивалентная фазовая постоянная:

где – скорость дрейфа электронов.

С увеличением релаксационной частоты увеличивается и постоянная нарастания:

=

где , .

Что, в свою очередь, приводит к увеличению погонного коэффициента усиления:

G₁ = 8,68| |

Также, если пытаться объяснить данное явление на уровне электронов, то при увеличении концентрации примеси в значительной степени увеличивается количество носителей заряда, которые будут участвовать в модуляции по плотности, то есть сгустки будут «плотнее», усиление выше.

Однако, стоит заметить, что при увеличении частоты сигнала коэффициент усиления снижается, что связано с влиянием коэффициента диффузии. То есть, чем больше частота усиливаемого колебания, тем заметнее влияние диффузии при распространении ВПЗ и тем ниже коэффициент усиления.

2. Исследование влияния значения толщины пленки GaAs на АЧХ усилителя при фиксированных параметрах: N_D = 0,85 ∙ 10²⁰ м^-3, L = 3,5 мм

Рис. 4 – АЧХ усилителя при различных толщинах пленки GaAs

Проводя анализ АЧХ УБВ при различных толщинах пленки, делаем вывод, что с увеличением толщины пленки заметно увеличивается коэффициент усиления УБВ.

Данное явление связано с тем, что в данном случае мы рассматриваем две модели – модель жесткой и свободной границы. В случае, если за счет потенциала на металле поток оттеснен от верхнего края полупроводниковой пленки, то граница является свободной, в ином случае – жесткой.

То есть, в случае уменьшения толщины пленки происходит переход от модели свободной границы к модели жесткой. И в условиях жесткой границы носители заряда, электроны, начинают двигаться в условиях сильного влияния коэффициента диффузии, который влияет на усиление волны на высоких частотах, а точнее, на уменьшение коэффициента усиления.

Также, стоит уточнить, что с уменьшением значения толщины пленки становится заметным влияние дефектов на границе структуры диэлектрик-П/П. То есть снижение коэффициента усиления на больших частотах также связано с рассеиванием «сгустков» электронов на дефектах границы. При больших толщинах пленки влияние дефектов сводится к нулю из-за оттеснения ВПЗ от границы структуры.

3. Влияние значения расстояния между входной и выходной антенной на АЧХ усилителя при фиксированных параметрах: N_D = 0,85 ∙ 10²⁰ м^-3, a = 1,5 мкм

Рис. 5 – АЧХ усилителя при различных значениях расстояния между входной и выходной антенной

Рис. 6 – АЧХ усилителя при L = 4 мм

Рис. 7 – АЧХ усилителя при L = 3 мм

Рис. 8 – АЧХ усилителя при L = 2 мм

Анализируя влияние расстояния между антеннами на АЧХ усилителя, делаем вывод, что при увеличении расстояния между антеннами возрастает и коэффициент усиления УБВ.

Связь между коэффициентом усиления УБВ и расстоянием между антеннами довольна понятна: первая антенная модулирует поток электронов по плотности, вторая «улавливает» усиленную волну. В случае, когда расстояние между антеннами достаточно мало, сгустки практически не успевают полноценно сформироваться и на выходе получаем достаточно низкое значение коэффициента усиления.

При увеличении расстояния между антеннами «сгустки» электронов успевают полноценно сформироваться, то есть произойдет большая модуляция по плотности, и на выходе увидим большее значения усиления.

4. Подбор значений концентрации носителей заряда и толщины структуры УБВ, обеспечивающие усиление 14,3 дБ на частоте до 10 ГГц

Подобранные значения, обеспечивающие необходимое усиление в 14,3 дБ:

Концентрация носителей заряда: N_D = 0,8 ∙ 10²⁰ м^-3

Толщина структуры: a = 1,61 мкм

Расстояние между антеннами: L = 2,51 мм

То есть, основными параметрами, влияющими на АЧХ УБВ являются – концентрация донорной примеси, расстояние между антеннами и толщина пленки. При правильном подборе всех этих параметров можно получить требуемое усиление.

ВЫВОД

В ходе выполнения лабораторной работы был исследован принцип работы УБВ на ВПЗ и определены основные параметры, влияющие на работу усилителя.

Анализируя полученные АЧХ УБВ при изменения различных параметров, делаем вывод, что основным негативным фактором, ограничивающим рабочий частотный диапазон устройства, является диффузия, которая становится заметной с увеличением частоты. Как следствие – при увеличении частоты происходит уменьшение коэффициента усиления из-за увеличения влияния диффузии.

Также, важным параметром, определяющим работу устройства, а точнее, коэффициент усиления, является значения толщины пленки. С увеличением толщины пленки минимизируется влияние диффузии, то есть увеличивается частотный диапазон устройства. Данный факт связан также с влиянием диффузии: при уменьшении толщины пленки происходит переход от модели свободной границы к модели жесткой границы, где влияние диффузии становится заметным.

Немаловажным параметром, влияющим на коэффициент усиления УБВ, является расстояние между антеннами. Для получения требуемого усиления необходимо правильно располагать антенны.