Лабы Михайлов / 3 Лаба / Лаба 3

2

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.

3

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.

4

Рис. 6 – АЧХ усилителя при Nd = 0,45∙1020 м-3

Анализируя зависимость АЧХ усилителя бегущей волны, делаем вывод,

что АЧХ УБВ в значительной степени зависит от значения концентрации

6

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:

= v0

где v0 – скорость дрейфа электронов.

С увеличением релаксационной частоты увеличивается и постоянная нарастания:

где = , = v0. v0 D

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.

7

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.

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.

8

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.

и выходной антенной

9

10