Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Широкополосные высокостабильные терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN. Монография
.pdf
критических температур несущественно. Это еще одна причина, по которой измерения ширины полосы преобразования проводились при T
.
c
3.2. Исследования полосы преобразования
HEB смесителя при температуре
сверхпроводящего перехода
Семейство типичных вольт-амперных характеристик смесителя, полученных при разной температуре, приведено на
рис. 10. Самая верхняя кривая соответствует температуре 4,2
К. Нижележащие кривые сняты при постепенном повышении температуры. Самая нижняя кривая соответствует нормальному состоянию. Кривая непосредственно над ней есть
рабочая кривая; ей соответствует температура, примерно
равная Т
наклоном, равным 50 Ом, является касательной к рабочей
вольт-амперной кривой в начале координат (в общем случае
тангенс угла наклона равен R
50 Ом). Эта прямая проводится во время эксперимента, чтобы облегчить нахождение рабочей вольт-амперной кривой.
. Прямая, проходящая через начало координат с
с
/2 и может отличатся от
N
Рис. 10. Семейство вольт-амперных характеристик смесителя,
полученных при разных температурах.
51
Самая нижняя кривая соответствует нормальному состоянию. Кривая непосредственно над ней – рабочая кривая.
Напряжение смещения в рабочей точке равно 1 мВ
На рис. 11 представлены результаты измерения полосы
преобразования смесителя с длиной 0,11 мкм. Зависимость
выходной мощности от ПЧ (после калибровки тракта ПЧ)
можно аппроксимировать при помощи формулы
=
1
+
P
ff
( )
IF dB
3
(48)
2
() ,
Pf
IF
(0)
что дает частоты среза указанные на рисунках. Следует отметить, что значение 3,5 ГГц является типичным для HEB смесителей с фононным каналом охлаждения на Si подложках
без применения дополнительного подслоя MgO. На рис. 12
приведены результаты зависимости полосы преобразования
смесителей от длины мостика.
Рис. 11. Результаты измерения полосы преобразования для HEB смесителей
Характеристики соответсвующих смесителей представлены в табл. 3. Видно, что в интервале длин 0,1–0,2 мкм ширина полосы преобразования сильно отличается от значения
3,5 ГГц. Более того, ширина полосы преобразования возрастает примерно обратно пропорционально квадрату длины
мостика (если не считать постоянной составляющей, обу-
52
словленной фононным каналом охлаждения, вклад которо-
GGG
го от длины мостика не зависит). Можно предположить, что
процесс релаксации электронной температуры протекает
по двум независимым (во всяком случае, в первом приближении) каналам: фононному и диффузионному. Тогда полный коэффициент теплоотвода равен сумме коэффициентов теплоотвода для фононного и диффузионного каналов
в отдельности:
=+ (49)
tot ph diff
,
откуда время релаксации электронной температуры есть
1
CC
τ≡ = = +
ee
θ
G GG
tot ph diff ph diff
+ ττ
11
−
(50)
.
Рис. 12. Полоса преобразования как функция длины смесительного элемента
Сплошная кривая есть теоретическая зависимость
Коэффициент преобразования в этом случае дается вы-
ражением (19). Подстановка соответствующих параметров
NbN в (21) и (50) дает для частоты среза выражение
f
dB3
3
=+
ГГц
1
L
(
006
.
1
мкм
, (51)
2
)
53
где L – длина смесительного элемента.
==
Зависимость (51) построена на рис. 12 сплошной линией.
Хотя согласие с экспериментом довольно хорошее, нельзя не
отметить разброс точек, причем больший интерес вызывают
случаи, когда измеренное значение меньше предсказываемого теорией. Дело в том, что производная частоты среза,
даваемой выражением (51), возрастает при уменьшении длины мостика. Поэтому относительно небольшая неточность
в определении длины приводит к сильному изменению частоты среза. В некоторых случаях измеренное значение частоты среза оказывается больше расчитанного. Это может быть
связано с экспериментальной погрешностью (примерно
10%); кроме этого, можно ожидать, что в пределах одной
партии смесители не будут иметь идентичных характеристик
(при условии, что они имеют одинаковые размеры, то есть
«входные данные» одинаковые. В виду сложности технологического процесса, к сожалению, не удалось получить смесители с длинами в интервале 0,2–0,3 мкм, пригодные для
измерений ширины полосы преобразования. Поэтому можно заключить, что действительно имеет место дополнительное охлаждение посредством диффузии горячих электронов
в контактные площадки.
3.3. Калибровка тракта ПЧ HEB приемника
Несколько комментариев необходимы касательно калибровки тракта ПЧ. Во-первых, как было сказано выше, калибровка тракта ПЧ не учитывала 3-см копланарную линию.
Во-вторых, не учитывались вклады копланарной линии и антенны на самом чипе. Наконец, измерения параметра S
проводились при комнатной температуре. Правильная калибровка холодной части тракта ПЧ требует так называемого деэмбединга, цель которого определить матрицу рассеяния тракта ПЧ
S SS
где условие симметрии может быть привлечено, только если
коэффициент передачи одинаков в обоих направлениях, что
54
SS
11 12
SS
21 22
, ,
12 21
(52)
21
справедливо для тракта ПЧ, описанного выше. Таким обра-
11
,,
LL
θθ
∞∞
−−
зом, требуются 3 измерения: с трактом ПЧ с 50-омной нагрузкой на конце, закороченным и открытым. Первые два
измерения могут быть произведены, если перевести смеситель в нормальное состояние (скажем, нагрев его до T
)
c
и выставив нулевое напряжение смещения, соответственно. Для третьего измерения образец надо необратимо разрушить, что является весьма нежелательной процедурой,
так как она должна быть проделана с каждым образцом.
Для исследования была применена другая процедура.
Мощность на входе анализатора спектра есть
(0)
() () ,
PfSPfS
22
==
21 21
M
где P
– мощность на выходе смесителя. Как было показано
M
P
1
+
( )
M
ff
3
(53)
2
dB
в гл. 1, для большинства целей работа HEB смесителя, изготовленного из тонкой пленки, может быть описана одним
уравнением теплового баланса с соответствующей постоянной времени. Однако результаты были получены в предположении, что источник смещения работал в режиме генератора тока, что не так в общем случае. Более тщательный
анализ, который учитывает влияние окружающие смеситель
элементы цепи, приводит к следующему выражению для коэффициента преобразования смесителя [
2
2
P
() ,
ηω = ≡
IF
ττ
τ ≡ α≡α ≡
m
1
где Z
чем 1/t
−α + Ω ∂ +
– импеданс смесителя на частотах много больших,
µ
и ZL – «нагрузочное сопротивление», равное
Q
1 1 (0)
1
ZZ
+
( )
∞
0
ZZ c TZZ
α
0
2 2 22 22
1
−α
(
L
ZR ZR
L e eL
Z
L
LO
P
)
DC
2
I
RZ
S IF
=
RZ
+
S IF
∂
89,90]:
η
+ω τ +ω τ
IF m IF m
R
(55)
,
(54)
как можно показать, применяя к схеме на рис. 13 теорему
Тевенина. Здесь R
смещения и Z
– внутреннее сопротивление источника
s
= 50 W – входное сопротивление тракта ПЧ.
IF
55
Нагрузочное сопротивление может быть найдено из вольт-
22
constant constant ,
LL
LL
Z R Z VI
II
Z R Z VI
−−
α≈ ⋅ = ⋅
++
ee
сT
амперной характеристики смесителя: оно равно наклону
вольт-амперной характеристики в области с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В исследовании
Z
= 20 W (см. рис. 10).
L
Рис. 13. Преобразование электрической схемы смещения и съема сигнала
с HEB смесителя в эквивалентную схему
Когда смеситель работает при температуре сверхпроводящего перехода, параметр α может быть записан как
(56)
где было сделано предположение, строго не оправданное,
τ
∂
R
θ
что произведение
не зависит от рабочей точки на
∂
вольт-амперной кривой и что Z
при T
. Таким образом, эффективная постоянная времени
c
= R с с хорошей точностью
µ
равна
τ≈
m
+⋅
1 constant
Как видно из рабочей вольт-амперной характеристики,
отношение V/I возрастает с увеличением напряжения смещения и всегда больше Z
растает с увеличением напряжения смещения. Таким образом, чем выше напряжение смещения, тем короче эффективная постоянная времени смесителя. Запись (53) для двух
рабочих точек A и B (V
56
> VA), дает
B
τ
θ
VI R
2
I
VI R
, поэтому знаменатель в (57) воз-
L
(57)
.
−
L
+
L
( )
2
1
( ) (0)
Pf P
AA
=
Pf P
( ) (0)
BB
+
+
1
B
ff
3
dB
A
ff
( )
3
dB
,
(58)
2
откуда частоты среза могут быть определены путем аппроксимации экспериментальных данных. Эта процедура
применялась и для остальных смесителей наряду с учетом
параметра S
тракта ПЧ. Оба способа определения 3-деци-
21
бельных частот среза дают результаты, совпадающие с точностью до нескольких процентов, что указывает на то, что
вклады копланарных линий несущественны.
57
ГЛАВА 4.
( )
( )
0.V B IF HEMT bath
P k BG T T
=
=+
( )
СТАБИЛЬНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ
РАЗРЕШЕНИЕ ВОЛНОВОДНОГО HEB
ПРИЕМНИКА НА ЧАСТОТЕ 810 ГГЦ
4.1. СВЧ инжектирование
Шумовая температура HEB приемника измерялась с использованием стандартной Y-фактор процедуры как функция напряжения смещения и мощности гетеродина для нахождения рабочей точки с наиболее низкой шумовой температурой. Также было возможно определить коэффициент
преобразования смесителя, усредненный по полосе приемника в тех же точках следующим образом. Когда приемник
смотрит на нагрузку при комнатной температуре (295 К),
выходная мощность равна
где B – полоса детектирования; G
ния тракта ПЧ;
смесителя, усредненный по полосе детектирования; T
шумовая температура приемника.
Аналогично, когда приемник смотрит на холодную нагрузку (77 К), получается
Когда напряжение смещения равно нулю, и гетеродин выключен, смешения нет, и имеется только холодный (HEMT)
усилитель с согласованной нагрузкой при 4,2 К на входе. Тогда мощность на выходе приемника есть
58
P k BG T T= η+ (59)
amp B IF amp R
IF
,
– коэффициент усиле-
η + – коэффициент преобразования HEB
–
R
(60)
P k BG T T= η+ (61)
cold B IF cold R
,
где T
0
.
amp cold
bath HEMT
V amp cold
PP
TT
P TT
=
−
+
η= ⋅
−
ная 4 К, и T
– шумовая температура холодного усилителя, рав-
HEMT
= 4,2 K есть температура ванны.
bath
Из уравнений (59)–(61) для коэффициента преобразова-
ния смесителя, усредненного по полосе детектирования, получается:
(62)
После того, как рабочая точка была найдена, мощность
гетеродина была уменьшена так, что ток смесителя вырос на
1 мкА. Значение тока было затем восстановлено путем инжектирования СВЧ излучения с частотой 17,3 ГГц. Была
проделана серия подобных измерений с компенсацией
уменьшения мощности гетеродина инжектированием СВЧ
излучения на каждой стадии. Этим путем была получена зависимость шумовой температуры приемника и коэффициента преобразования от мощности гетеродина, нормированной к оптимальной мощности гетеродина. Следует отметить,
что уровень мощности неизменен в каждой точке, если считать справедливым изотермический метод, использованный
для определения поглощенной мощности гетеродина [91].
Напряжение смещения оставалось неизменным во всех измерениях.
Инжектирование СВЧ излучения с частотой существенно
ниже частоты энергетической щели сверхпроводника, в данном случае NbN, в общем случае приводит к повышению
шумовой температуры приемника и уменьшения коэффициента преобразования. Однако если относительное изменение
поглощенной мощности гетеродина мало, < 10%, замещение
СВЧ излученем терагерцового не влияет существенным образом на коэффициент преобразования и шумовую температуру приемника (см. рис. 14). Таким образом, возможно компенсировать флуктуации мощности гетеродина путем инжектирования СВЧ излучения. Это лежит в основе системы
обратной связи, описанной ниже. Можно утверждать, что
более прямой способ состоит в контроле самого гетеродина,
но это гораздо труднее, а предлагаемая схема более универсальна, применима ко всем типам гетеродинов – от твердотельных модулей до ЛОВ и квантовых каскадных лазеров.
59
Рис. 14. Эффект СВЧ излучения на HEB устройство. Шумовая температура
приемника (■) и коэффициент преобразования смесителя (●) как функции
нормированной поглощенной мощности гетеродина с частотой 0,81 ТГц
Роль инжектированного СВЧ излучения с частотой существенно ниже частоты энергетической щели в NbN состоит в том, что оно наводит высокочастотный ток. Нормальная компонента этого тока приводит к дополнительной диссипации энергии, и, следовательно, нагревает
электронную подсистему. Для низких уровней инжектирования (< 10% мощности гетеродина), СВЧ мощность по
существу модулирует электронную температуру пленки
NbN. Более того, так как выбранная частота существенно
выше 3-децибеловой ПЧ отсечки смесителя, электронная
температура будет модулирована усредненной СВЧ мощностью. Следовательно, СВЧ излучение может быть использовано для поддержания постоянной электронной
температуры в пленке NbN
Уровень инжектированной СВЧ мощности для двух случаев уменьшенного уровня мощности гетеродина выбран
таким образом, чтобы рабочая точка 1,2 мВ и 0,052 мА оставалась неизменной
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]