Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном гетеропереходе AlGaAsGaAs. Моно
.pdf
Хотя модель неоднородного электронного разогрева дает качественное
объяснение для зависимости между током и шириной полосы ПЧ, в тоже
время ни одна из болометрических моделей не дает даже качественного
объяснения изменению ширины полосы ПЧ при изменении частоты
гетеродина. Этот факт наиболее наглядно показывает, что существует
дополнительный неболометрический механизм смешения, который
существенно
проявляется только на суб-ТГц частотах гетеродина. Подобное
увеличение ширины полосы ПЧ на низких частотах гетеродина наблюдалось
для микромостиков из высокотемпературной сверхпроводниковой пленки
[119]. Данный эффект был приписан прямому взаимодействию
электромагнитного поля с магнитными вихрями. Также было показано
наличие этих вихрей в неупорядоченных тонких NbN пленках
испытывающих фазовый переход Костерлиц-Таулисса (Kosterlitz-Thouless)
при
температуре немного ниже, чем традиционная температура
сверхпроводящего перехода [120]. Мы предполагаем, что в нашем смесителе
кроме свободных вихрей также присутствуют и пары вихрь-антивихрь
(VAPs). Когда смеситель находится в рабочей точке, то вихри в основном
располагаются вне нормального домена в сверхпроводящей области
болометра. При этом они участвуют как в болометрическом отклике на
излучение [121], так и составляют основу для неболометрического механизма
смешения. Мы также предполагаем колебания пар вихрь-антивихрь
вследствие осцилляций электрического поля создаваемого сигнальным и
гетеродинным источниками излучения. Периодическое движение вихрей
поперек направления течения электрического тока произведет напряжение
переменного тока той же фазы, что и болометрический отклик на частоте
гетеродина
ν<ν0 ≈ k/δ [122], где k и δ есть коэффициент упругости пар вихрь-
антивихрь и коэффициент вязкого трения для потока вихрей. Вихри
реагируют на поле, если расстояние между вихрями в паре менее чем
7
2/1
Dr . Для гетеродина с частотой 300 ГГц, используя типичное
81
значение коэффициента диффузии для пленок NbN D=0.5 см
r
≈ 2ξ ≈ 19 нм, где ξ – длина когерентности. Эта величина приблизительно в 2
ν
2
/с, мы получаем
раза больше, чем возможное наименьшее расстояние между вихрями в паре
VAPs. Поэтому мы можем пренебречь экранированием другими парами и
рассматривать вибрацию изолированных пар вихрь-антивихрь. Переписывая
выражение для производной энергии связи пары относительно ее разделения
([123], выражение (3.22)), мы получаем коэффициент упругости пары:
k
где
Ф
– квант магнитного потока (Ф0=2.068×10
0
2
0
, (50)
2
2
r
0
L
-15
Вб), λL – Лондоновская
глубина проникновения. Далее используя общее выражение для
коэффициента вязкого трения
, мы получаем ν0 ≈ 1 ТГц.
2
)2(
n
2
0
Неболометрический вклад «вихревого» механизма смешения должен
обращаться в 0 на частотах гетеродина больших этого значения, когда
r
необходимое расстояние между вихрями
становится меньше, чем длина
ν
когерентности. Эти оценки качественно соглашаются с нашими
экспериментальными результатами наблюдения неболометрического вклада
на частотах 0.3 и 0.6 ТГц. На данном этапе мы не можем оценить величину
неболометрического вклада в результирующую эффективность смешения,
поскольку это требует от нас знания пространственной плотности
ограниченных вихревых пар и размера области нормального домена,
что пока
является сложной задачей.
82
Глава 4. Исследование характеристик квазиоптических
смесителей на основе разогрева 2D газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре 77 К
Данная глава посвящена результатам исследования характеристик
квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения на основе 2D
газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs работающих при температуре 77 К.
Измеренная зависимость сопротивления смесителя №1 от температуры,
типичная для исследуемых структур, представлена на рис. 30. Здесь же
приведена зависимость величины dR/dT от температуры, видно, что параметр
смесителя dR/dT достигает максимума в районе температур
рис. 31 представлена вольтамперная характеристика смесителя №1 при
температуре 77 К, являющаяся типичной для исследуемых структур, на
которой отчетливо видно отклонение от закона Ома, что является следствием
эффекта электронного разогрева.
100 – 150 К. На
Рис. 25. Зависимость сопротивления от температуры для смесителя №1;
дополнительно представлена зависимость dR/dT от температуры
83
Рис. 26. Вольтамперная характеристика смесителя №1 при температуре 77 К
§4.1 Смеситель с фононным каналом охлаждения электронов
§4.1.1 Полоса преобразования
В температурном интервале Te ≈ 70 – 130 K релаксация энергии горячих
электронов происходит главным образом посредством испускания
оптических фононов. Из данных таблицы 3 видно, что для исследованных
нами образцов не выполняется условие для осуществления механизма
релаксации путем диффузии горячих электронов в холодные контакты
Таким образом, время релаксации горячих электронов
τ
в нашем случае
e
будет определять полосу преобразования смесителя как:
1
f
3dB
. (51)
2
e
Нами была измерена полоса преобразования для смесителей №3, №5 и
№15 при температуре кристаллической решетки T
≈ 77 К по методике,
L
описанной в главе 2 (§2.3.2). Экспериментальные зависимости мощности
сигнала на промежуточной частоте
PIF(fIF) для образцов №3, №4 и №5
представлены на рис. 32.
l<l
e-ph
.
84
Рис. 27. Частотные зависимости сигнала на промежуточной частоте для смесителей
№3-▲ , №5-○ и №15-■ при T
метки в виде стрелок соответствуют значениям f
=77 K. Линиями показаны теоретические кривые,
L
3dB
Кривые описывают частотные зависимости сигнала согласно уравнению (40).
f
Значения
составили: примерно 3.4 ГГц для смесителя №3, около 4 ГГц
3dB
для смесителя №5 и 4.5 ГГц для смесителя №15. На основе ВАХ и
характеристик R(T) для смесителей №3, №5 и №15 мы оценили значение
T
электронной температуры
T
составило
~100 – 120 К.
e
в рабочих режимах смесителя, которое
e
Полученные результаты измерения полос преобразования в смесителях
на основе 2DEG в гетероструктурах AlGaAs/GaAs позволяют рассмотреть
особенности энергетической релаксации в структурах такого рода.
Соответствующее полосе преобразования время энергетической релаксации
τ
составляет:
τ
≈ 35 пс для смесителя №15. Хотелось бы отметить, что полученные при
e
помощи метода прямых измерений значения
≈ 47 пс для смесителя №3, τe ≈ 40 пс для смесителя №5 и
e
τ
хорошо согласуются с
e
результатами, полученными в схожих работах с помощью различных
экспериментальных методик [25, 27, 124]. Используя методику измерения с
двумя источниками излучения, с частотами в районе 94÷115 ГГц, авторы
данных работ показали, что времена релаксации для структур AlGaAs/GaAs с
85
типичными характеристиками и в подобных условиях эксперимента
составляют величину ≈ 50÷94 пс. Также хорошо наши результаты
согласуются с результатами, полученными люминесцентным методом [125].
τ
Из измерений температурной зависимости
для подобных
e
гетероструктур было найдено значение времени жизни для оптического
τ
фонона
≈ 4.5 пс при 50 К>Т>35 К [126].
LO
Оценим время жизни оптического фонона, исходя из данных
τ
полученных в нашем эксперименте, для смесителя с
n
=3.5×1011 см-2 используя соотношение [126]:
s
2
T
)(
e
E
3
Время жизни оптического фонона составит τ
электронного газа T
=100 – 120 K. Экспериментальное значение τLO в
e
Tk
LOB
F
LO
=40 пс и концентрацией
e
2
exp
LO
. (52)
Tk
B
Tk
B
LO
≈ 4.5±0.8 пс, при температуре
структурах GaAs и AlGaAs составило ~ 4÷10 пс [127], что вполне согласуется
с полученным нами результатом. Таким образом, в нашем эксперименте τ
LO
почти в 30 раз превышает теоретическое значение времени спонтанного
испускания оптического фонона τ
≈ 0.16 пс [128].
e-LO
Величина эффекта разогрева фононов зависит от температуры
электронов T
и от концентрации 2D электронов ns, поэтому измеряемая в
e
настоящей работе скорость релаксации электронной температуры будет
определяться именно этими факторами. Было показано [129], что скорость
релаксации энергии электронов в присутствии «горячих» фононов
увеличивается при увеличении T
из-за уменьшения темпа электрон-
e
фононной релаксации. Следовательно, полоса преобразования смесителей с
охлаждением на оптических фононах ограничена влиянием эффекта
неравновесных фононов, другими словами перепоглащением оптических
фотонов электронами.
86
§4.1.2 Эффективность преобразования
Эффективность преобразования смесителя определяется его потерями
преобразования L, чем потери меньше, тем, соответственно, выше
эффективность. На практике удобнее пользоваться значением коэффициента
преобразования η выражающегося как:
P
IF
log10
он связан с потерями преобразования через соотношение η=L
измерения потерь преобразования смесителя на основе гетероструктуры
AlGaAs/GaAs заключается в измерении ВАХ. Затем при помощи метода
изотерм [109], предполагающего эквивалентность разогрева 2D электронов
ТГц излучением с мощностью P
мощностью P
, находились значения η. В этом случае при условии полного
DC
s+PLO
согласования с трактом ПЧ коэффициент преобразования определяется как:
– сопротивление образца в рабочей точке, коэффициент K=(dR/dP)
где R
ob
и P
≈ PDC+PLO – полная мощность поглощаемая смесителем в рабочей точке,
0
поскольку P
рабочей точке смесителя P
<<PLO, PDC, то ею можно пренебречь [109]. В оптимальной
s
LO=PDC=P0
коэффициент K для исследуемых смесителей мы находили, используя их
ВАХ.
Полученная нами зависимость потерь преобразования смесителей №1 и
№760 в зависимости от полной поглощенной мощности, приходящейся на
один электрон, представлена на рис. 33.
, (53)
P
s
-1
. Методика
и постоянным током смещения с
1
8log10
, (54)
R
ob
PK
0
P=Po
/2 [109]. Параметры Rob, P0 и
87
Рис. 28. Потери преобразования смесителей №1-■ и №760-▲ при TL=77K в
зависимости от полной поглощенной мощности, приходящейся на электрон
Из графика видно, что лучшее значение коэффициента преобразования для
обоих смесителей реализуется в области большой поглощенной мощности
или области сильного электронного разогрева. Минимальное значение
L=13 dB соответствует смесителю с большей подвижностью 2D электронного
газа. Представленная зависимость также свидетельствует, что одинаковое
значение коэффициента преобразования реализуется для смесителей с
различной подвижностью при разной степени разогрева
2D электронного газа
и в случае смесителя с низкой подвижностью требуется большая
поглощенная мощность.
Необходимо отметить, что при выборе рабочей точки смесителя,
определяемой необходимостью согласования сопротивления смесителя с
сопротивлением тракта ПЧ, и постоянством мощности гетеродина, L зависит
только от коэффициента K. Этот коэффициент, в свою очередь, с учетом
постоянства концентрации 2D электронов
в области исследуемых
электронных температур, определяется температурной зависимостью
подвижности носителей в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. В области
температур ~77 К в релаксации импульса горячих электронов
гетероструктуры AlGaAs/GaAs возможно реализация рассеяния либо на
88
остаточных примесях GaAs, либо на полярных оптических фононах. Это
хорошо демонстрируют полученные нами зависимости подвижности 2D
электронов от температуры в интервале 4,2 – 200К для смесителей №1, №5 и
№15 (рис. 34). Также на рисунке представлена теоретическая температурная
зависимость 2D электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs при их
рассеянии на оптических фононах [130
]. Видно, что переход к
доминированию рассеяния на оптических фононах происходит для
смесителей с высокой подвижностью 2D электронного газа при более низких
температурах, чем для смесителей с низкой подвижностью. Следовательно,
для выхода на максимально возможное значение dμ/dT (минимальное L),
определяемое оптическим механизмом рассеяния, смесителям с высокой
подвижностью μ потребуется меньшая мощность
P
.
LO
гетеродинного источника
Рис. 29. Температурная зависимость подвижности 2D электронов для исследуемых
структур №1-▲, №5-● и №15-▼; ■- теоретическая температурная зависимость при
рассеянии на оптических фононах
89
§4.1.3 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина
Для оценки оптимальной мощности гетеродинного источника
необходимой для работы смесителя мы использовали найденные нами
значения потерь преобразования L для смесителей с различными значениями
подвижности 2D газа и представили их в виде зависимости от активной
площади чувствительного элемента смесителя. Представленная на рис. 35
зависимость L от полной поглощенной мощности, приходящейся на 1 мкм
для смесителей №1 и №760 при T=77 К, показывает, что для образца №1 с
меньшей концентрацией, но с большей подвижностью 2D газа, величина L
выходит на постоянное уже при значении поглощенной мощности более
2
0.2 мкВт/мкм
постоянное значение значительно смещен в область больших мощностей.
Таким образом, с учетом измерений оптических потерь в супергетеродинном
. Для другого образца №760 выход зависимости L(P) на
2
Рис. 30. Зависимость потерь преобразования смесителей №1-■ и №760-● при
T
=77 K от полной поглощенной мощности, приходящейся на 1 мкм2 площади
L
чувствительного элемента смесителя
приемнике суб-ТГц диапазона частот [131], необходимая мощность
гетеродинного источника для смесителя на основе 2D газа в гетероструктуре
2
AlGaAs/GaAs площадью 1 мкм
составит ~0.5 мкВт. Следовательно, при
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]