Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Семёнов Андрей Андреевич
НОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МАГНИТО - УПРАВЛЯЕМОГО ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И СОЗДАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах 01.04.03 - радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Саратов - 2010
Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета
Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор физ.- мат. наук, профессор Усанов Дмитрий Александрович.
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Шишкин Геннадий Георгиевич;
Заслуженный деятель науки РФ, доктор физ.- мат. наук, профессор Семёнов Эдгар Александрович;
Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор физ.- мат. наук, профессор Алгазинов Эдуард Константинович.
Ведущая организация: Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН.
Защита диссертации состоится 21 октября 2010 г. в 15 час. 30 мин.
на заседании диссертационного совета Д.212.243.01 по специальностям 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах, 01.04.03 - радиофизика по адресу: 410026, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.
Автореферат разослан " 16 " июня 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы Исследования механизмов возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в полупроводниковых приборах, особенностей воздействия на них внешних электрических и магнитных полей, колебательных режимов, возникающих в устройствах, включающих такие приборы, нелинейных явлений в электродинамических системах, их содержащих, можно отнести к числу современных научных направлений, развивающихся на стыке твердотельной электроники и радиофизики. Интерес к подобным исследованиям обусловлен широким применением достижений твердотельной электроники во многих отраслях науки и техники, что связано с открытием новых физических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых приборах (Gunn J.B., Read W.T., Esaki L., Тагер А.С. и др.) и их использованием для разработки и создания как дискретных, так и интегральных устройств для генерации, усиления, преобразования и управления энергией электромагнитного излучения. Успехи в области разработки, создания и применения электронных приборов, имеющих в определенном режиме отрицательное значение дифференциального сопротивления - основного дифференциального параметра, так называемых "негатронов" (Бенинг Ф., Гаряинов С.А., Абезгауз И.Д. и др.), привели к формированию "негатроники" Ч молодого самостоятельного научного направления электроники, цели и задачи которого были сформулированы сравнительно недавно (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Филинюк Н.А. и др.).
Приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) находят широкое применение в радиофизических и радиотехнических системах самого широкого назначения не только в качестве основных элементов усилительных, генераторных и ключевых схем (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Биберман Л.И. и др.), а также чувствительных сенсоров (Касимов Ф.Д., Негоденко О.Н., Кошелев С.Г., Семенцов В.И., Коноплев Б.Г. и др.), но и как элементарные функциональные элементы, благодаря присущей им внутренней управляемой реактивности (Al-Charchafchi S.H., Abdul Rachman A.A., Szczepkowski G., Baldwin G., Farrell R., Степанова Л.И, Серьезнов А.Н., Арефьев А.А., Сафонов В.М. и др.), причем реактивность, в зависимости от типа ОДС, может иметь как индуктивный, так и емкостной характер (Фомин Н.Н., Королев Ю.Н., Усанов Д.А, Вениг С.Б., Горбатов С.С. и др.).
Группа устройств, наличие участка ОДС на вольтЦамперных характеристиках (ВАХ) у которых обусловлено физическими явлениями, происходящими в полупроводниковых структурах, сравнительно небольшая и включает в себя туннельные, лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, диоды с барьером Шоттки, лавинные транзисторы и ряд других (Gunn J.B., Schottky W., Read W.T., Shockley W., Esaki L., Тагер А.С. и др.). Известны соединения переходных металлов, кристаллы которых демонстрируют на своих вольтЦамперных характеристиках участки ОДС одновременно S - и N Цтипов (Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Величко А.А. и др.). Приборы такого типа, обладая эффектами переключения и памяти, а также эффектами транзисторного и тиристорного типа (Смолянский Р.Е., Смолянский В.А.), могут применяться в качестве чувствительных элементов сенсорных систем, электронных переключательных устройств, датчиков температуры.
Общим недостатком приборов этой группы является то, что лежащие в основе механизма их работы физические эффекты, электрофизические характеристики материалов, из которых они изготовлены, технология их создания однозначно определяют их электрические и эксплуатационные параметры. Так, например, туннельный диод физически не предназначен для работы с высокими уровнями рассеиваемой мощности и при сравнительно высоких значениях питающего напряжения, не говоря уже о возможности изменения формы ВАХ и крутизны её падающего участка.
Другим существенным недостатком большинства приборов этого типа представляется их плохая совместимость с современной технологией изготовления интегральных схем.
В связи с этим широкое распространение получили также устройства, в которых механизм возникновения ОДС обусловлен действием положительных и отрицательных обратных связей (Nielsen N.O., Willson A.N., Арефьев А.А., Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Негоденко О.Н., Христофоров В.Н., Ерохин А.В. и др.). Создание устройств с ОДС, обусловленным характером обратных связей, позволяет не только получать у них требуемую форму ВАХ и, в частности, участки с ОДС, но и оперативно варьировать электрические параметры вновь создаваемых приборов в зависимости от их функционального назначения, в связи с чем задача создания устройств с заданными характеристиками, а также возможностью их регулировки и управления, представляется современной и актуальной.
Параметры ВАХ таких двухполюсников с ОДС можно варьировать, изменяя номиналы элементов, введенных в цепи положительных или отрицательных обратных связей устройств (Al-Charchafchi S.H., Al-Wakeel S.S., Abdul Rachman A.A., Kano G., Sharma S.M., Nagata M.A., Серьезнов А.Н., Арефьев А.А., Степанова Л.Н., Гарицин А.Г., Негоденко О.Н. и др.). Следует также отметить, что для полупроводниковых устройств, в которых механизм возникновения ОДС основан на введении в схему положительных и отрицательных обратных связей, довольно хорошо изучены возможности управления параметрами их характеристик воздействием электрического поля (Серебренников С.В., Твердоступ Н.И., Хандецкий В.С., Дьяконов В.П., Серьезнов А.Н., Арефьев А.А., Степанова Л.Н. и др.), света (Каштанкин И.А., Гурин Н.Т.) и температуры (Степанова Л.Н., Баскаков Е.Н.), в то же время как вопросы воздействия на такие приборы магнитного поля и проблема создания приборов с магнитоуправляемыми характеристиками изучены недостаточно.
Включение в цепи смещения и обратных связей таких приборов элементов, проводимость которых зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля, может позволить создавать структуры, параметры ВАХ которых прогнозируемо управляются этим полем, причем эффект от воздействия управляющего фактора может достигать значительно больших величин, чем в известных устройствах. Предлагаемый способ может быть особенно эффективным при интегральном исполнении двухполюсников с ОДС, поскольку позволяет существенно снизить в изготовляемой микросхеме количество управляющих выводов и разрабатывать устройства, функциональное назначение которых возможно изменять под воздействием внешнего магнитного поля без каких-либо настроек и вмешательства в принципиальную электрическую схему.
Введение в цепи обратных связей элементов, характеристики которых зависят от величины приложенного внешнего магнитного поля, может позволить создавать также приборы, обладающие динамической ВАХ с падающим участком, которой используемый магнитоуправляемый прибор, равно как и модифицируемое устройство, изначально не обладают.
Получение на ВАХ одного прибора нескольких стабильных и устойчивых участков с ОДС разного типа потенциально позволяет расширить функциональные возможности устройств такого класса (Sharma C.K., Dutta Roy S.C.). Такие приборы получили название мультистабильных или многоустойчивых (Некрасов М.М., Апостолов А.И., Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Орлов В.Е., Коротин Б.Н. и др.). Получение на вольтЦамперной характеристике одного прибора нескольких стабильных и устойчивых участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением представляет интерес, поскольку позволяет существенно упростить схемотехнические решения, уменьшить объем элементной базы, а также расширить функциональные возможности такого класса устройств (Ватова Л.Б., Кобзев В.В., Ривлин А.А., Соловьёв В.С. и др.). Достижения указанных целей можно добиться, создавая приборы с мультистабильными ВАХ, способные эффективно изменять параметры своих характеристик под воздействием электрического или магнитного поля.
Возможность управления параметрами мультистабильной ВАХ внешним магнитным полем может придать таким приборам новое качество Ч способность устройства изменять свою функцию без изменения его принципиальной схемы, что, безусловно, позволяет расширить границы применения подобных твердотельных приборов. К настоящему времени этот вопрос изучен недостаточно, что обусловливает актуальность исследований в этом направлении.
Известно, что отличительным признаком полупроводниковых материалов и созданных на их основе приборов является чувствительность к воздействию температуры, света, внешних электрических и магнитных полей. Такое свойство полупроводниковых приборов может быть использовано для управления устройствами, включающими эти приборы в свой состав. Следует отметить, что возможность управления магнитным полем полупроводниковыми приборами с ОДС, не имеющими в своём составе магниточувствительных элементов, в частности, диодами Ганна в автогенераторных схемах, может позволить расширить границы использования таких устройств (Boardman A.D., Fawcett W., Ruch J.G., Heinle W., Shur M.S., Левинштейн М.Е., Горфинкель В.Б., Андронов А.А., Усанов Д.А., Горбатов С.С, Скрипаль А.В. и др.). Эта возможность также изучена сравнительно недостаточно, в связи с чем исследования в этом направлении актуальны и практически значимы.
Благодаря присущей приборам с ОДС внутренней управляемой реактивности, имеющей (в зависимости от типа ОДС) как индуктивный, так и емкостной характер, создание на их основе автогенерирующих схем требует минимального количества внешних элементов, что существенно упрощает схемотехнику таких устройств. Наличие реактивности у таких приборов обусловило также многочисленные попытки использования их в качестве управляемых полупроводниковых эквивалентов индуктивностей (Степанова Л.И, Серьезнов А.Н., Арефьев А.А., Сафонов В.М. и др.), но в силу того, что параметры таких индуктивностей не полностью соответствовали требованиям практики, окончательного решения данная проблема не получила.
Характерная для индуктивности фазовая зависимость тока от напряжения наблюдается также в длинных диодах при высоких уровнях инжекции (Баранов Л.И., Селищев Г.В., Роках А.Г. и др.), но, как показали результаты исследований, индуктивные свойства такие приборы демонстрируют в сравнительно узком частотном диапазоне, а добротность их невелика.
С учетом того, что индуктивность - физическая величина, характеризующая магнитные свойства элемента электрической цепи и равная отношению потока магнитной индукции, пересекающей поверхность, ограниченную проводящим контуром, к силе тока в этом контуре, создающем этот поток, изменение этого потока в результате взаимодействия с помещенным в проводящий контур объектом эквивалентно изменению величины индуктивности. Использование полупроводниковых приборов в качестве компонентов, параметры которых (в частности, проводимость) изменяются в широких пределах, может позволить создать электрически управляемые индуктивные элементы, что придает актуальность исследованиям в этом направлении.
Наличие у твердотельных приборов с ОДС механизма встроенной обратной связи в широком диапазоне частот приводит к тому, что такие приборы демонстрируют разнообразный спектр колебательных режимов:
от гармонических и релаксационных, до сложнопериодических и квазипериодических (Gollub J.P., Brunner T.O., Danly B.G., Matsumoto T., Chua L.O., Komuro M., Сюсань У., Кияшко С.В., Пиковский А.С., Рабинович М.И. и др.).
Сложное поведение характерно и для активных двухполюсников с магнитоуправляемыми характеристиками (Усанов Д.А., Вениг С.Б., Скворцов С.И. и др.), но при этом анализа их динамического поведения до сих пор проведено не было. Описание таких объектов как нелинейных динамических систем приводит к необходимости их анализа с точки зрения динамики изменения режимов работы при изменении их параметров под воздействием управляющего поля, изучению условий возникновения, существования и исчезновения периодических и хаотических режимов работы.
Такие исследования могут позволить обнаружить новые физические закономерности поведения радиотехнических и радиофизических систем, включающих в себя твердотельные элементы с управляемой нелинейностью, оценить их поведение при воздействии внешних полей и сигналов.
В связи с этим является актуальным проведение целенаправленного комплекса экспериментальных и теоретических исследований по созданию полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением и управляемыми магнитным полем характеристиками, особенностей нелинейных явлений в динамических системах, включающих в себя такие приборы, обусловленных изменением их характеристик под влиянием внешних управляющих воздействий.
Проведение целенаправленного комплекса таких исследований может позволить обнаружить новые физические явления в разработанных магнитоуправляемых полупроводниковых приборах, создать на их основе новые типы твердотельных устройств, а также расширить функциональные характеристики устройств, уже получивших широкое распространение в различных областях твердотельной электроники, и тем самым еще больше расширить границы их применения.
Цель диссертационной работы состоит в разработке новых полупроводниковых приборов, обладающими характеристиками с ОДС, управляемым магнитным и электрическим полями; изучении нелинейных явлений и установлении новых физических закономерностей в динамических системах с такими полупроводниковыми структурами, обусловленных как нелинейными режимами их работы, так и нелинейными свойствами самих приборов, а также изменением их характеристик под влиянием внешних воздействий; создании на основе разработанных приборов новых типов радиофизических и радиотехнических устройств.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) разработка, экспериментальное и теоретическое исследование полупроводниковых приборов с ОДС и управляемыми внешними магнитным и электрическим полями характеристиками; 2) создание, экспериментальное и теоретическое исследование полупроводниковых приборов с мультистабильной ВАХ, обладающей участками ОДС, управляемыми внешним магнитным полем; 3) реализация, экспериментальное и теоретическое исследование электрически управляемых индуктивных элементов, в качестве перестраиваемых компонентов которых используются полупроводниковые n-i-p-i-nЦструктуры; 4) выявление физических закономерностей процессов формирования радиочастотного импульса в управляющих устройствах на p-i-nЦдиодах; 5) изучение сложных динамических, в том числе хаотических, режимов работы в генераторных схемах, содержащих полупроводниковые приборы с управляемыми внешним магнитным полем характеристиками; 6) определение взаимосвязи температуры прибора и типа колебательных режимов в генераторных схемах, содержащих полупроводниковые приборы с управляемыми внешним магнитным полем характеристиками;
7) установление физических закономерностей нелинейных явлений в сверхвысокочастотных (СВЧ) генераторах на диодах Ганна, работающих в режиме многочастотной генерации, при воздействии на них внешнего СВЧ сигнала и управляющего магнитного поля.
Научная новизна 1. Впервые проведен целенаправленный комплекс экспериментальных и теоретических исследований по созданию новых полупроводниковых негатронов, с характеристиками, регулируемыми внешними магнитным и электрическим полями, а также особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах, включающих такие приборы.
2. Впервые разработаны полупроводниковые магнитоуправляемые двухполюсники с отрицательным дифференциальным сопротивлением, основанным на использовании механизмов обратных связей.
3. Впервые реализованы управляемые автогенераторы как на активных магнитоуправляемых полупроводниковых двухполюсниках с ОДС, так и на усилителях, включающих магнитодиоды с экспоненциальной вольт - амперной характеристикой в цепях обратной связи по магнитному полю.
4. Показано, что для описания сложного поведения динамических систем на полупроводниковых магнитоуправляемых негатронах требуется учет влияния температурных зависимостей их характеристик на реализуемые в таких системах колебательные режимы.
5. Разработан новый тип активного полупроводникового двухполюсника с мультистабильной вольтЦамперной характеристикой, обладающей участками отрицательного дифференциального сопротивления как S Ц, так и N - типов; продемонстрирована возможность реализации на таком приборе генератора, управляемого электрическим полем.
6. Впервые экспериментально обнаружена возможность существования мультистабильной вольтЦамперной характеристики у структур типа металЦокисеЦокисеЦметалл на участках как прямого, так и обратного смещений.
7. Впервые экспериментально обнаружена и теоретически обоснована возможность создания управляемых электрическим полем пассивных индуктивных элементов с нелинейными полупроводниковыми n-i-p-i-n - структурами в качестве перестраиваемых компонентов.
8. Установлены способ и форма сигналов, управляющих p-i-nЦдиодными приборами, при которых можно повысить быстродействие указанных устройств и избежать искажений формируемых ими импульсов.
9. Показана возможность существенного расширения диапазона перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧЦгенераторов на диодах Ганна под воздействием управляющего магнитного поля по сравнению с известными схемами.
Достоверность результатов диссертации Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается: строгостью используемых математических моделей; корректностью упрощающих допущений; сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям; выполнимостью предельных переходов к известным решениям; соответствием результатов расчета эксперименту.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена: применением современной стандартной измерительной аппаратуры; метрологической поверкой измерительного оборудования и методик измерения; обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ; воспроизводимостью полученных результатов.
Научная и прикладная значимость работы: 1) на основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны магнитоуправляемые полупроводниковые двухполюсники с отрицательным дифференциальным сопротивлением, основанные на использовании механизмов обратных связей; 2) разработан новый типа активного полупроводникового двухполюсника с мультистабильной вольтЦамперной характеристикой, обладающей участками отрицательного дифференциального сопротивления S - и N - типов; 3) реализованы управляемые электрическим полем пассивные индуктивные элементы с n-i-p-i-nЦструктурами в качестве перестраиваемых компонентов; 4) созданы эффективные устройства управления радиочастотным сигналом на основе полупроводниковых диодов с p-i-nЦструктурами, реализующие предложенные способы управления;
5) Разработан активный полупроводниковый двухполюсник с мультистабильной вольтЦамперной характеристикой на участках как прямого, так и обратного смещений на основе структур типа металЦокисеЦокисе - металл; 6) установлена возможность эффективной управляемой модуляции выходного сигнала СВЧ генератора на диоде Ганна, работающего в режиме синхронизации или биений; 7) установлена взаимосвязь температуры прибора и типа колебательных режимов в генераторных схемах, содержащих полупроводниковые приборы с управляемыми внешним магнитным полем характеристиками; 8) на основе результатов исследования устройств с магниточувствительными полупроводниковыми элементами разработан измеритель индукции постоянного магнитного поля [10], превосходящий по ряду своих эксплуатационных параметров известные модели промышленных тесламетров; результаты исследования нелинейных режимов работы СВЧ генератора на диоде Ганна были использованы в разработанном комплексном измерителе параметров зерна, обладающем повышенной точностью измерений параметров объекта по сравнению с известными моделями своего класса [23]; 9) результаты проведенных исследований легли в основу разработанных новых устройств защиты, контроля и ограничения доступа, позволяющих повысить степень защищенности подобных систем, а также новых приборов, эффективно управляющих p-i-nЦдиодными устройствами, защищенных патентами на изобретение РФ и авторскими свидетельствами [25-28].
Основные положения, выносимые на защиту 1. Включение магниточувствительных элементов в качестве активных компонентов, а также в цепи смещения и обратных связей двухполюсников на транзисторах, механизм возникновения ОДС в которых обусловлен действием указанных обратных связей, позволяет создавать приборы с магнитоуправляемыми характеристиками S - и NЦтипов, обладающими участками ОДС, имеющими как статический, так и динамический характер. Частотой и амплитудой выходного сигнала автогенераторов, разработанных на основе магнитоуправляемых двухполюсников можно управлять, изменяя напряженность воздействующего магнитного или электрического полей.
2. Моделирование разработанных магнитоуправляемых двухполюсников системами алгебраических и нелинейных дифференциальных уравнений для мгновенных значений напряжений и токов, составленных методом переменных состояния, и решение систем численным методом Гира шестого порядка позволяет получить теоретическое описание характеристик и режимов работы разработанных приборов, хорошо совпадающее с аналогичными экспериментальными данными. Численное интегрирование методом Рунге-Кутты-Мерсона четвертого порядка системы нелинейных дифференциальных уравнений, составленной на основе уравнений Кирхгофа для мгновенных значений токов в узлах и напряжений в контурах эквивалентной схемы генератора на магнитоуправляемом аналоге динистора, с использованием аппроксимации высокоомной ветви прибора линейной зависимостью, а участка отрицательного дифференциального сопротивления ВАХ динистора - степенным полиномом пятого порядка, позволяет описать экспериментально наблюдаемую зависимость периода колебаний генератора от величины напряженности управляющего магнитного поля.
3. Автогенератор с магнитоуправляемым двухполюсником, обладающим ВАХ NЦтипа, способен работать в режиме хаотических колебаний при выборе рабочей точки в припороговой области вольтЦамперной характеристики. Переход к хаотическим колебаниям в нем происходит через последовательность бифуркаций удвоения периода. Изменение положения рабочей точки на ВАХ, связанное с разогревом и охлаждением магнитоуправляемого активного элемента, может приводить к смене режима колебаний, из всего многообразия возможных режимов при неизменной величине напряжения питания и напряженности магнитного поля.
4. Используя перекрестные обратные связи в устройстве из двух комплементарных транзисторов и двух транзисторов с одинаковым типом проводимости, работающих попарно в линейном (активном) режиме, можно реализовать ВАХ, обладающую участками ОДС одновременно S - и NЦтипов, наблюдающимися при различных значениях приложенного напряжения.
5. Два и более участков ОДС NЦтипа наблюдаются на ветвях прямого и обратного смещения ВАХ структур типа металЦокисеЦокисеЦметалл, образованных прижимными контактами электродов из алюминия и цинка с естественными окисными слоями.
6. Приложение напряжения к n-i-p-i-nЦструктуре, выполняющей функцию перестраиваемого компонента индуктивного элемента, позволяет электрически управлять величиной индуктивности такой системы, обладающей приемлемой для практических целей добротностью. Результаты расчета зависимости индуктивности и добротности системы от величины приложенного напряжения с использованием предложенной модели, включающей комплексное сопротивление управляемой n-i-p-i-n - диодной структуры, позволяют получить хорошее согласование с экспериментом. При переключении p-i-nЦдиодных устройств времена нарастания и спада импульса мощности радиочастотного сигнала могут быть уменьшены более чем в 7 раз в результате оптимального выбора формы и длительности "ускоряющих" и "вытягивающих" управляющих импульсов.
7. Показана возможность существенного расширения диапазона перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧЦгенераторов на диодах Ганна под воздействием управляющего магнитного поля по сравнению с известными устройствами.
На защиту выносится также группа новых типов устройств на полупроводниковых приборах, разработанных и созданных на основе выявленных физических закономерностей, защищенных патентами и авторскими свидетельствами.
Настоящая диссертация выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета. Она является обобщением работ автора, выполненных в период с 1986 по 2009 год по одной из актуальных проблем твердотельной электроники и радиофизики, заключающейся в экспериментальном и теоретическом исследовании возможности создания полупроводниковых приборов с управляемыми характеристиками и, выявлении особенностей нелинейных явлений в динамических системах, содержащих такие полупроводниковые приборы.
Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, по мнению автора, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по созданию класса полупроводниковых приборов с управляемыми магнитным и электрическим полями характеристиками, обладающими участками отрицательного дифференциального сопротивления, обусловленного механизмами обратных связей; установлению особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах, содержащих такие полупроводниковые приборы, обусловленных сложными режимами работы, нелинейными свойствами самих приборов и изменением их характеристик под влиянием внешних воздействий.
В результате решения этой научной проблемы установлены:
новые физические явления, наблюдающиеся в полупроводниковых негатронах при воздействии постоянных электрических и магнитных полей, температуры и электромагнитного излучения радиочастотных диапазонов;
новые физические закономерности поведения колебательного контура, включающего управляемый электрическим полем пассивный индуктивный элемент с n-i-p-i-nЦструктурой в качестве перестраиваемого компонента;
разработаны и созданы новые типы полупроводниковых устройств, обладающие как уникальными, так и улучшенными характеристиками, по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения.
Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с:
грантом № 2-83-13-31 "Пост" Ч "Теоретическое и экспериментальное исследование возможности управления шумовыми характеристиками СВЧ генератора на диоде Ганна внешним СВЧ или НЧ сигналом" в 1992 - 1993 г.г.;
грантом Государственного комитета РФ по высшему образованию 1994 - 1995 годов (МИЭТ ТУ);
грантом Государственного комитета РФ по высшему образованию 1996 - 1997 годов (МИЭТ ТУ);
планом НИР "МЕРА" Ч "Разработка и создание СВЧ измерительного комплекса для контроля параметров слоистых структур" 2004 г. (Министерство Образования Российской Федерации);
планом фундаментального научного исследования "Контроль" Ч "Разработка и создание технологии контроля параметров микро- и наноэлектронных структур и уникального диагностического оборудования для нанотехнологических процессов, нанометровых вибраций и перемещений" 2004 - 2005 г.г. (Министерство Образования Российской Федерации);
планом НИР "Фаза-2" "Исследование новых механизмов возникновения отрицательного сопротивления в полупроводниковых приборах, стимулированного СВЧЦполем" 2005 г. (Министерство Образования Российской Федерации);
планом фундаментальной НИР "Лавина" Ч "Исследование новых механизмов возникновения отрицательного сопротивления в полупроводниковых структурах в сильном СВЧЦполе" 2005 - 2006 г.г. (Министерство Образования Российской Федерации);
планом научно-технической разработки "Разработка и создание устройств для измерения толщин микро- и нанометровых пленок" 2006 г.
(Правительство Саратовской области, распоряжение от 21 апреля 20г. № 114-Пр.);
планом НИР РИ Ч 19.0/002/228 "Разработка новых высокочувствительных радиоволновых и оптических методов измерения параметров наноструктур и материалов" 2006 г. (Федеральная целевая научно- техническая программа Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002Ц2006 годы.);
планом НИР "Наносистема" Ч "Технология формирования наноструктур и нанокомпозитов, разработка и создание новых технологий измерений параметров материалов, наноструктур и нанокомпозитов на основе низкоразмерных резонансных систем оптического и микроволнового диапазонов" 2007 г. (Федеральная целевая программа Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехно-логического комплекса России на 2007Ц2012 годы. ГК № 02.513.11.3058 от 22 марта 2007 г.);
планом НИР 0120.0 603189 "Ангстрем 2" Ч " Разработка новых радиоволновых и оптических методов исследования параметров материалов, микро- и наноструктур" 2007Ц2008 г.г. (Федеральное агентство по образованию);
планом НИР "Лавина" Ч "Исследование новых механизмов воздействия электромагнитных полей на возникновение резонансных явлений в микро- и наноструктурах" 2007 г. (Федеральное агентство по образованию);
планом НИР 0120.0 603188 "Лавина-2" Ч "Исследование новых механизмов воздействия электромагнитных полей на возникновение резонансных явлений в микро- и наноструктурах" 2008 г. (Федеральное агентство по образованию);
планом НИР 0120.0801702 "Наномеханика" Ч "Разработка новых нанотехнологий синтеза, способов диагностики и методов исследования наноструктур и композитов, биологических сред и биообъектов, методов численного моделирования биомеханических систем" 2008 г. (Федеральное агентство по образованию).
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе СГУ при постановке работ в учебном практикуме лаборатории кафедры физики твердого тела СГУ: "Переходные процессы в P-I-NЧдиодных СВЧ устройствах" и "Исследование температурной зависимости электропроводности полупроводников".
Часть результатов диссертационной работы была использована автором в разработке под девизом "Коммутатор" Ч "Методы повышения быстродействия p-i-nЦдиодных СВЧ устройств", удостоенной диплома первой степени НТО РЭС им. А.С. Попова за 1986 год.
Отдельные результаты диссертационной работы вошли составной частью в проект "Разработка устройства для защиты информации от несанкционированного доступа", отмеченный золотой медалью и дипломом первой степени Всероссийского научно-промышленного форума "Россия единая" за 2000 год..
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы доложены на:
XI Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" в 1987 году в г. Москва;
семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" Научного совета по проблеме "Физика и химия полупроводников" АН СССР в 1991 году в г. Навои;
Межведомственной научно-технической конференции "Приборы, техника и распространение мм и субмм волн" в Харькове в 1992 году;
Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика- 95" в Зеленограде в 1995 году;
Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП - 96 в Саратове в 19году;
II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика - 97" в Зеленограде в 1997 году;
Всероссийском научно-промышленном форуме "Россия единая" в 20году в г. Нижний Новгород;
Всероссийской научно-техническая дистанционная конференции "Электроника и информатика - 2001" г. Москва, МИЭТ, 2001 г.
V Международной научно-техническая конференции "Электроника и информатика - 2005" г. Москва, МИЭТ, 2005 г.
объединенном научном семинаре расширенного заседания кафедры физики твердого тела Саратовского госуниверситета.
Приборы, в которых были использованы отдельные технические достижения из диссертационной работы, экспонировались на ВДНХ СССР в 1987 и 1989 годах в ходе проведения выставок "Физико-технические средства диагностики" и "Ученые Поволжья Ч народному хозяйству".
Публикации По материалам диссертации опубликовано: 56 научных работ, в том числе 32 статьи (из них 28 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций), 4 патента РФ, 2 авторских свидетельства на изобретения и 3 свидетельства РФ на полезную модель, которыми защищены предложенные новые способы и устройства.
Материалы диссертации использованы в разделах разработанных автором курсов учебных дисциплин "Схемотехника ЭВМ", "Микропроцессорные системы", "Устройство и применение микропроцессоров", посвященных работе и применению твердотельных приборов устройств, и в методических пособиях работ лабораторного практикума кафедры физики твердого тела СГУ: "Переходные процессы в P-I-NЧдиодных СВЧ устройствах", "Исследование температурной зависимости электропроводности полупроводников". При постановке лабораторных работ "Изучение БИС параллельного периферийного адаптера" и "Изучение БИС программируемого интервального таймера" было использовано оригинальное интерфейсное оборудование, разработанное автором в рамках диссертационной работы для проведения ряда экспериментальных исследований [24].
ичный вклад соискателя В работах с соавторами соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе методов их решения, разработке алгоритмов и программ численных расчетов, обосновании и разработка математических моделей, разработке методик, подготовке и проведении эксперимента, анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований. В работах [2-4, 8-10], выполненных в соавторстве с Ю.А. Чаплыгиным, А.И. Галушковым, Д.А. Усановым, С.Б. Венигом, соискателю принадлежит постановка задачи, выбор, обоснование и создание математических моделей, разработка и изготовление приборов в целом, подготовка и проведение эксперимента, измерение характеристик и исследование рабочих режимов, а также участие в обсуждении полученных результатов, интерпретации рассматриваемых процессов и явлений.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 333 страницах, содержит 1рисунка. Список литературы состоит из 317 наименований.
Научный консультант диссертационной работы заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Дмитрий Александрович Усанов.
Краткое содержание работы Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована научная новизна и актуальность её тематики, сформулирована цель исследования, содержится критический анализ современного состояния проблемы. Кратко изложено содержание работы и её практическая значимость, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, а также сведения о публикациях и апробации работы.
В первой главе приведены результаты исследования магнитоуправляемых двухполюсников с ОДС, параметры ВАХ которых управляются приложенным полем. Экспериментально и теоретически показано, что включение магниточувствительных элементов в цепи смещения и обратной связи активных полупроводниковых устройств позволяет синтезировать приборы с ОДС, параметры ВАХ которых управляются магнитным полем.
Теоретически и экспериментально показано, что включение магнитодиода в цепь обратной связи усилительного каскада на транзисторе (рис. 1) приводит к возникновению в таком устройстве магнитоуправляемого динамического отрицательного дифференциального Рис. 1. Принципиальная электрическая схема генератора автоколебаний сопротивления и возможности гес магнитодиодом в цепи обратной связи нерации гармонических колебаний с регулируемой магнитным и электрическим полем величиной амплитуды.
Анализ исследуемой автогенераторной системы проводился на основе эквивалентной схемы, представленной на рис. 2.
Рис. 2. Эквивалентная схема генератора автоколебаний с магнитодиодом в цепи обратной связи.
Математическая модель эквивалентной схемы генератора представляет собой систему алгебраических и нелинейных дифференциальных уравнений для напряжений и токов (1), составленную методом переменных состояния.
dU1/dt ( io iR i1 )/C1; dUg/dt ic/Cs ;
dUзи/dt ( i1 i2 )/Cзи ; dUси/dt i3 /Cси ;
dUк/dt ( i4 i5 )/Cк ; dU2/dt ( i6 i4 )/C2 ;
di5 /dt (Uк i5 RК )/L ;
io ( E1 U1 )/R1 ; i1 ( iR R Uзи )/Rз ;
( i4 Ic(Uзи,Uси )) / Cси i1 / Cзи i2 ; i3 i4 Ic(Uзи,Uси ) i2 ; (1) 1 / Cзи 1 / Cси 1 / Сзс i4 (U 2 Uк Uси )/Rс ; i6 ( E2 U 2 )/R2 ;
iC i1 iR Ig(Ug,B ) ; iR (U1 Ug )/R ;
B ( o / ) i5 K i5.
Здесь K - эмпирически подобранный коэффициент, обеспечивающий пропорциональность между значением тока i5 в индуктивности L и значениями магнитной индукции B(i5), измеренными опытным путём.
Представленная математическая модель позволяет теоретически оценить возможность возникновения незатухающих колебаний в усилительной системе с магниточувствительным элементом и положительной обратной связью по магнитному полю, выявить некоторые закономерности поведения рассчитываемых величин и указать возможный диапазон их проявления.
Численное исследование приведённой выше системы уравнений (1) проводилось методом Рунге-Кутты-Мерсона четвертого порядка.
Результаты моделирования подтверждают возможность возникновения в исследуемой схеме, при заданных параметрах, автоколебаний, имеющих гармонический характер.
Теоретически и экспериментально показано, что включение двухколлекторного биполярного магнитотранзистора (БМТ - Чаплыгин Ю.А., Галушков А.И. др.) в качестве одного из активных элементов двухтранзисторного эквивалента тиристора позволяет реализовать магнитоуправляемый аналог тиристора (рис. 3) с возможностью раздельного управления параметрами напряжения переключения и тока в низкоомном открытом состоянии (рис. 4). Показано, что частотой генератора на магнитоуправляемом аналоге тиристора можно управлять, изменяя напряженность воздействующего на него магнитного поля.
Рис. 3. Принципиальная электрическая Рис. 4. ВАХ исследуемого устройства схема магнитоуправляемого аналога при различных значениях внешнего магтиристора нитного поля: 1 - В = 0; 2 - В = 50 мТл;
3 - В = 100 мТл; 4 - В = 250 мТл.
Для исследования возможностей применения предложенного твердотельного устройства на его основе был реализован автогенератор релаксационного типа, принципиальная схема которого приведена на рис. 5.
Активный элемент, управляемый током и магнитным полем, представлен на рисунке 5 в виде контура U(I, B). На схеме также обозначены: внешний токозадающий резистор R, резистор нагрузки RН, времязадающий конденсатор С, разРис. 5. Принципиальная схема делительный конденсатор С1 и источник автогенератора релаксационного питания ЕПИТ.
типа.
При значении RББ = 3 кОм и напряжении источника питания ЕПИТ = 5,5 В в устройстве возникали колебания пилообразного типа, с амплитудой около 1,5 В, причем изменение управляющего магнитного поля в пределах значений 0 100 мТл приводило к увеличению частоты генерации соответственно от 93 кГц до 144,7 кГц.
При исследовании режимов работы магнитоуправляемого генератора (рис. 5) в широком диапазоне значений управляющего напряжения и магнитного поля, наряду с периодическими режимами релаксационных колебаний, были обнаружены сложные динамические режимы, но теоретического обоснования возможности возникновения таких режимов проведено не было.
Авторы проведенного исследования (Скворцов С.И., Вениг С.Б., Усанов Д.А.) для качественного объяснения обнаруженных режимов предположили наличие внутреннего колебательного контура в магниточувствительном элементе, но не предложили конкретных физических механизмов его возникновения и существования.
При анализе режимов работы исследуемого автогенератора в эквивалентную схему устройства был введен колебательный контур (рис. 6), наличие Рис. 6. Эквивалентная схема магкоторого связано с эквивалентными ренитоуправляемого автогенератора релаксационного типа активностями конструкции устройства, собранного из дискретных элементов, и конструктивными особенностями исполнения генератора, в котором магниточувствительный элемент был вынесен далеко за пределы основной платы для взаимодействия с магнитным полем. Сделанные предположения, не отрицая возможности существования реактивности в магниточувствительном элементе, позволяют предложить эквивалентную схему магнитоуправляемого генератора (рис. 6), число степеней свободы которой допускает наличие в ней сложных колебательных режимов.
Паразитный резонансный контур представлен на схеме элементами L0, C0 и R0, где сопротивление R0 включает в себя потери контура, а величина его определяет также степень влияния контура на релаксационную часть генератора.
Нелинейный магнитоуправляемый двухполюсник с ВАХ SЦтипа представлен на схеме в виде источника тока I(U,B), управляемого величиной приложенного напряжения U и магнитного поля B. При достижении точки открывания на ВАХ динистора последний переходит на низкоомный участок и разряжает накопленный в ёмкости заряд. Таким образом, динистор в подобной схеме представляет собой проводимость, величина которой определяется значением приложенного напряжения.
Система нелинейных дифференциальных уравнений, представляющая собой математическую модель эквивалентной схемы магнитоуправляемого автогенератора, имела следующий вид:
d i U1 U0 i0 R0 , d t L d U1 1 E U i0 I(U, B ), (2) d t C1 R d U0 i0, d t C где функция I(U,B), которой был представлен активный магнитоуправляемый элемент, аппроксимировалась полиномом пятой степени.
Численное интегрирование системы (2) было проведено методом Рунге-Кутты-Мерсона четвертого порядка. Результаты численного анализа показывают, что введение в эквивалентную схему паразитного колебательного контура определяет форму импульсов, аналогичную наблюдаемой в эксперименте (рис. 7).
б а Рис. 7. Расчетная - а и соответствующая ей экспериментальная - б временные зависимости колебаний в схеме магнитоуправляемого автогенератора Исследование системы уравнений (2) в диапазоне значений индукции магнитного поля 0.1 ? 0.3 Тл, соответствующих эксперименту, показало, что резонансный контур L0, C0 оказывает на колебательный режим генератора стабилизирующее воздействие при изменении частоты релаксационных колебаний под воздействием магнитного поля. При захвате контуром частоты генератора осуществляется синхронизация колебательного режима на основной частоте или на частотах гармоник, в результате чего в полосе синхронизации период колебаний изменяется незначительно.
При выходе из режимов синхронизации в расчете наблюдаются области, характерные для сложных динамических процессов: режимов биений и квазипериодических колебаний. Эти режимы в процессе изменения частоты колебаний генератора под воздействием управляющего магнитного поля существуют до тех пор, пока контур снова не осуществит захват колебаний на какой-либо из частот гармоник. Хорошо наблюдаемые при численном исследовании, в реальном эксперименте эти стохастические режимы крайне нестабильны из-за влияния шумов, наводок, температурных воздействий и внешне проявляются как сигналы хаотической генерации, хотя и не являются таковыми.
Теоретически и экспериментально показано, что введение линейного интегрального преобразователя "магнитное поле Ч напряжение" (ПМН - Чаплыгин Ю.А., Галушков А.И. др.) в цепь управления глубиной положительной обратной связи одного из транзисторов эквивалента динистора позволяет реализовать магнитоуправляемый аналог динистора с несколькими участками отрицательного дифференциального сопротивления SЦтипа, количество и крутизна которых определяются величиной индукции управляющего магнитного поля (рис. 8).
а б в Рис. 8. 1 - рассчитанные вольт-амперные характеристики магнитоуправляемого аналога динистора при различных значениях внешнего магнитного поля и соответствующих им Э.Д.С.: a - В = -240 мТл, U(В) = 0,5 В; б - В = -10 мТл, U(В) = 5 В;
в - В = 150 мТл, U(В) = 8 В; 2 - экспериментальные вольт-амперные характеристики магнитоуправляемого аналога динистора при тех же значениях внешнего магнитного поля.
инейность вольтЦтесловой характеристики ПМН (типа П5-26 - Чаплыгин Ю.А., Галушков А.И. др.) составляла 0,2 ? 0,9 % в диапазоне значений индукции магнитного поля от Ц200 мТл до 200 мТл, что позволило при моделировании устройства заменить ПМН источником Э.Д.С., пропорциональной действующему магнитному полю. Моделирование работы магнитоуправляемого аналога динистора проводилось интегрированием численным методом Гира шестого порядка системы нелинейных дифференциальных уравнений, составленной методом узловых потенциалов на основе PSpiceЦмоделей элементов.
Теоретически и экспериментально показано, что включение двухколлекторного биполярного магнитотранзистора в цепь смещения одного из активных элементов двухтранзисторного усилителя на транзисторах одного типа проводимости с обратной связью позволяет реализовать магнитоуправляемый двухполюсник с ОДС (рис. 9), обладающий ВАХ NЦтипа (рис. 10).
Рис. 9. Упрощенная схема магнито- Рис. 10. ВАХ исследуемого устройства при управляемого двухполюсника с ОДС различных значениях внешнего магнитного и ВАХ N - типа поля: 1 - В = Ц180 мТл; 2 - В = Ц90 мТл;
3 - В = 0; 4 - В = 90 мТл; 5 - В = 180 мТл Экспериментально обнаружено, что включение магниточувствительного элемента в автогенерирующую схему позволяет повысить вольт-тесловую чувствительность устройства к величине приложенного магнитного поля в среднем более чем на два порядка по отношению к аналогичному параметру для кремниевого двухколлекторного магнитотранзистора типа Л5-11 (Чаплыгин Ю.А., Галушков А.И. др.).
При экспериментальном исследовании генератора на основе магнитоуправляемого активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ N-типа (рис. 11) было обнаружено, что автогенератор демонстрирует сложные колебательные режимы при выборе рабочей точки в припороговой области вольтЦамперной характеристики.
Система четырех нелинейных дифференциальных уравнений (3), представляющая собой математическую модель исследуемого автогенератора (рис. 11), была составлена на основе его эквивалентной схемы (рис. 12), на которой нелинейный элемент был представлен как источник тока ISS(USS), управляемый напряжением и независящий явно от величины индукции магнитного поля B.
dIO UO RO IO, dt LO LO dU I C ISS (USS ) CX I0 C IO O X X , dt CSS C0 CSS C0 C0 C0 C (3) dUSS I (USS ) C I0 C I SS X X , CSS CSS 1 CSS C0 CSS dt dI E R USS I .
dt L L L Здесь нелинейная характеристика ISS(USS) активного элемента VD аппроксимировалась степенным полиномом четвертого порядка, представляющим собой функцию только величины USS.
Рис. 11. Принципиальная электрическая Рис. 12. Эквивалентная схема схема автогенератора на магнитоуправ- исследуемого автогенератора ляемом двухполюснике Численное исследование системы (3), проводившееся методом Рунге-Кутты-Мерсона четвертого порядка, показало, что переход к сложным динамическим режимам в схеме автогенератора происходит через последовательность бифуркаций удвоения периода, что позволило предположить хаотический характер колебаний в этих режимах.
При заданных параметрах, соответствующих сложному динамическому режиму, исследуемая система (3), приведенная заменой переменных к нормированному виду, имела одну точку равновесия, в которой корни характеристического уравнения позволили определить наличие двухмерного устойчивого многообразия и двухмерного неустойчивого многообразия.
Сигнатура спектра ляпуновских характеристических показателей в рассматриваемой точке равновесия [+, 0, Ц, Ц] характеризует множество точек притяжения исследуемой диссипативной системы в установившемся режиме как странный аттрактор с одним положительным ляпуновским показателем. При этом размерность Ляпунова (Kaplan - Yorke), вычисленная для рассматриваемого аттрактора при заданных параметрах, составляла 3.032.
Изменение положения рабочей точки на ВАХ (рис. 13), связанное с разогревом и охлаждением магнитоуправляемого активного элемента, может приводить к спонтанной смене режима колебаний (рис. 14), заключающейся в последовательной демонстрации режимов при неизменной величине напряжения питания и напряженности магнитного поля.
Показано, что температурРис. 13. Рассчитанные ВАХ нелинейного двухный режим прибора с управполюсника при различных значениях темпераляемыми магнитным полем хатур: 1 - T=27OC; 2 - T=35OC; 3 - T=55OC; 4 - T=75OC; 5 - T=85OC; 6 - нагрузочная прямая рактеристиками, обладающего Рис. 14. Зависимости температуры активного элемента - 1 и амплитуды колебаний - от времени в интервале 618Ц625 с, а также проекции фазового объёма системы на плоскость независимых переменных Uo - Io в характерных точках ОДС и ВАХ NЦтипа, оказывает влияние на вид ВАХ (рис. 13), что необходимо учитывать при работе таких приборов в сложных динамических режимах.
Во второй главе приведены результаты исследования схемы с перекрестными обратными связями из двух комплементарных транзисторов и двух транзисторов с одинаковым типом проводимости, работающих попарно в линейном (активном) режиме. Теоретически и экспериментально показано, что такая схема характеризуется ВАХ, обладающей участками ОДС одновременно S - и NЦтипов (рис. 15, 16), наблюдающихся при различных значениях приложенного напряжения.
Рис. 15. Расчетная ВАХ активного Рис. 16. Экспериментальная ВАХ исдвухполюсника, обладающего участ- следуемого двухполюсника, обладаюками отрицательного дифференциаль- щего участками отрицательного дифного сопротивления одновременно S - ференциального сопротивления однои N - типов временно S - и N - типов Исследованы режимы работы автогенераторной схемы на разработанном активном элементе.
Экспериментально обнаружено, что структуры типа металЦокисе - окисеЦметалл могут обладать мультистабильной вольтЦамперной характеристикой. Показано, что два и более участков ОДС NЦтипа могут наблюдаться на ветвях прямого и обратного смещения ВАХ структур типа МООМ (рис. 17), образованных прижимными контактами электродов из алюминия и цинка с естественными окисными слоями.
а) б) Рис. 17. Положительная ветвь ВАХ МООМЦструктуры с участками ОДС - а, отрицательная ветвь ВАХ МООМЦструктуры с участками ОДС - б В третьей главе теоретически и экспериментально показано, что в генераторе Ганна на основе низкоразмерной резонансной системы (Горбатов С.С., Усанов Д.А. и др.), параметры частотных характеристик которой чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям, возможно достичь более широкой полосы перестройки частоты генерации под воздействием управляющего магнитного поля по сравнению с обычными резонансными системами.
Приведены результаты исследования модуляции выходного сигнала СВЧЦгенератора на диоде Ганна воздействием на него внешнего СВЧ - сигнала. Показано, что при воздействии гармонического внешнего сигнала на СВЧЦгенератор на диоде Ганна возникающий режим биений может быть использован для обеспечения амплитудной модуляции выходного сигнала. Причем, форма огибающей выходного сигнала имеет вид, близкий к гармоническому, или представляет собой периодическую последовательность импульсов (рис. 18).
Рис. 18. Зависимости амплитуды огибающей выходного сигнала от времени для различных значений величины расстройки: а - 30 МГц, б - 10 МГц, в - 5 МГц, г - 2 МГц.
Описан эффект синхронизации мод в СВЧЦгенераторах на диодах Ганна, работающих в многомодовом режиме, заключающийся в захвате мод соответствующими гармониками синхронизирующего сигнала.
Построена математическая модель процессов в синхронизированном генераторе на диоде Ганна, и приведены результаты численного моделирования, объясняющие обнаруженные закономерности.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования изменения знака нелинейной составляющей реактивной проводимости, то есть, смены характера этой составляющей реактанса с емкостного на индуктивный, и возникновения гистерезиса в синхронизированном СВЧЦгенераторе на диоде Ганна. Исследована экспериментально обнаруженная возможность изменения вида вольтамперной характеристики диода Ганна, включенного в электродинамическую систему, в зависимости от режима его работы на СВЧ.
Теоретически и экспериментально исследована возможность создания управляемого электрическим полем индуктивного элемента, включающего n-i-p-i-nЦструктуру, выполняющую функцию перестраиваемого компонента.
Предлагаемый способ электронного управления индуктивностью пассивной катушки заключается во введении в её конструкцию (рис. 19) специфического сердечника, свойства которого изменяются под воздействием приложенного электрического поля, оказывая при этом влияние на величину индуктивности. В качестве такого сердечника используется кремниевая структура n-i-p-i-nЦтипа, обладающая протяженными i - областями, проводимость которых изменяется в широком диапазоне в зависимости от величины приложенного к структуре напряжения смещения.
Конструктивно устройство было выполнено в виде двухсекционной катушки, сердечник которой (1) представлял собой кремниевую n-i-p-i-n - структуру с толщиной iЦобластей 200 мкм (рис. 19). В качестве такой структуры использовался выпускаемый промышленностью бескорпусный диод типа 2А505, конструктивно объединяющий в себе, по сути, две p-i-nЦструктуры с общей pЦобластью, имеющей гибкий соединительный вывод. Контакты n - областей диода (2) имели вид металлических площадок из материала с хорошей проводимостью. Диод размещался между двумя секциями катушки (3), намотанными виток к витку в форме плоской спирали на оправке диаметром 0,9 мм, причем изолированный вывод pЦобласти (4) пропускался наружу между плоскостями секций, а p-i-nЦструктуры заполняли области внутри секций. Сам диод центрировался по оси катушки с помощью тонкой изолирующей диэлектрической прокладки (5).
Экспериментальные зависимости добротности Q и индуктивности L исследуемой катушки от напряжения смещения n-i-p-i-nЦструктуры U представлены на рис. 20.
Рис. 19. Конструкция катуш- Рис. 20. Экспериментальные характеристики иски индуктивности, перестраи- следуемой катушки индуктивности: зависимость ваемой электрическим полем, добротности от величины напряжения смещения вид сбоку ( ), зависимость индуктивности от величины напряжения смещения ( ).
Форма графика зависимости индуктивности катушки от напряжения смещения (рис. 20) обнаруживает сходство с вольтЦамперной характеристикой n-i-p-i-nЦструктуры, что позволяет предположить пропорциональность изменения величины индуктивности значению проходящего через структуру тока.
Теоретически и экспериментально исследованы особенности управления СВЧЦмощностью pЦiЦnЧдиодными устройствами. Описано искажение формы выходного СВЧЦсигнала, обусловленное инерционными процессами в системе диод - схема управления. Исследована возможность частотной модуляция радиочастотного сигнала в резонансном контуре, включающем в свой состав управляемую электрическим полем индуктивность с перестраиваемым компонентом, представляющим собой nЦiЦpЦiЦnЧ структуру с толстой базой.
Показано, что управление nЦiЦpЦiЦnЧдиодом, входящим в конструкцию управляемого электрическим полем индуктивного элемента, током, пропорциональным управляющему напряжению, позволяет избежать искажения формы модулирующей составляющей в несущем радиочастотном сигнале (рис. 21).
а б Рис. 21. Графики зависимостей входного сигнала, напряжения на диоде и тока через диод при модуляции пилообразным - а и синусоидальным - б сигналами Из приведенных графиков видно, что формируемый устройством ток через диод Iд полностью определяется формой и амплитудой входного модулирующего сигнала Uвх, что обеспечивается внесением необходимых предискажений в напряжение, управляющее диодом Uд. На графике для Uд (рис. 21, а) заметно, что предискажения различны для процессов накопления и рассасывания заряда в базе диода, поскольку форма нарастания и спада сигнала заметно несимметричны.
В пятой главе описаны конструкции устройств защиты, контроля и ограничения доступа на основе полупроводниковых структур с управляемыми магнитным полем характеристиками. Показано, что применение в таких приборах магниточувствительных структур и разработанных магнитоуправляемых активных двухполюсников, обладающих повышенной чувствительностью к величине магнитного поля, позволяет повысить степень защищенности подобных микроэлектронных изделий от несанкционированного доступа к информации о режимах их работы с целью выявления логики функционирования, копирования и несанкционированного воспроизводства.
Представлен измеритель индукции магнитного поля на основе термонезависимых магниточувствительных интегральных схем и магнитоуправляемых активных двухполюсников, превосходящий по ряду своих эксплуатационных параметров известные модели промышленных тесламетров (рис. 22).
Описан способ повышения быстродействия p-i-n - Рис. 22. Измеритель индукции магнитного поля диодных СВЧ - устройств и ИИМП 118-9S представлена реализующая предложенный способ схема управления, принцип работы которой основана обнаруженных закономерностях.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Основные результаты и выводы 1. Впервые проведен целенаправленный комплекс экспериментальных и теоретических исследований по созданию новых полупроводниковых негатронов, с характеристиками, регулируемыми внешними магнитным и электрическим полями, а также особенностей нелинейных явлений в электродинамических системах, включающих такие приборы.
2. Показано, что включение магнитодиода в цепь обратной связи усилительного каскада на транзисторе приводит к возникновению в таком устройстве магнитоуправляемого динамического отрицательного дифференциального сопротивления и возможности генерации гармонических колебаний с регулируемой магнитным и электрическим полем величиной амплитуды.
3. Показано, что включение двухколлекторного биполярного магнитотранзистора в качестве одного из активных элементов двухтранзисторного эквивалента тиристора позволяет реализовать магнитоуправляемый аналог тиристора с возможностью раздельного управления параметрами напряжения переключения и тока в низкоомном открытом состоянии. Частотой генератора на магнитоуправляемом аналоге тиристора можно управлять, изменяя напряженность воздействующего на него магнитного поля.
4. Показано, что введение линейного интегрального преобразователя "магнитное поле Ч напряжение" в цепь управления глубиной положительной обратной связи одного из транзисторов эквивалента динистора позволяет реализовать магнитоуправляемый аналог динистора с несколькими участками отрицательного дифференциального сопротивления SЦтипа, количество и крутизна которых определяются величиной индукции управляющего магнитного поля.
5. Построены математические модели предложенных магнитоуправляемых устройств, представляющие собой системы алгебраических и нелинейных дифференциальных уравнений для мгновенных значений напряжений и токов, составленных методом переменных состояния. Интегрирование систем численным методом Гира шестого порядка позволяет получить теоретическое описание характеристик и режимов работы разработанных приборов, хорошо совпадающее с аналогичными экспериментальными данными.
6. Построена математическая модель генератора на магнитоуправляемом аналоге динистора, представляющая собой систему нелинейных дифференциальных уравнений для мгновенных значений токов в узлах и напряжений в контурах эквивалентной схемы, с использованием аппроксимации высокоомной ветви прибора линейной зависимостью, а участка отрицательного дифференциального сопротивления вольтЦамперной характеристики динистора - степенным полиномом пятого порядка. Интегрирование системы численным методом Рунге-Кутты-Мерсона четвертого порядка позволяет описать экспериментально наблюдаемую зависимость периода колебаний генератора от величины напряженности управляющего магнитного поля.
7. Экспериментально обнаружено и теоретически обосновано, что автогенератор с магнитоуправляемым двухполюсником, обладающим вольт - амперной характеристикой NЦтипа, способен работать в режиме хаотических колебаний при выборе рабочей точки в припороговой области вольт - амперной характеристики. Переход к хаотическим колебаниям в нем происходит через последовательность бифуркаций удвоения периода. Изменение положения рабочей точки на вольтЦамперной характеристике, связанное с разогревом и охлаждением магнитоуправляемого активного элемента, может приводить к спонтанной смене режима колебаний, заключающейся в последовательной демонстрации характерных режимов при неизменной величине напряжения питания и напряженности магнитного поля.
8. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что схема с перекрестными обратными связями из двух комплементарных транзисторов и двух транзисторов с одинаковым типом проводимости, работающих попарно в линейном (активном) режиме, характеризуется вольт - амперной характеристикой, обладающей участками отрицательного дифференциального сопротивления одновременно S - и NЦтипов, наблюдающимися при различных значениях приложенного напряжения.
9. Установлено экспериментально, что два и более участков отрицательного дифференциального сопротивления NЦтипа наблюдаются на ветвях прямого и обратного смещения вольтЦамперных характеристик структур типа металЦокисеЦокисеЦметалл, образованных прижимными контактами электродов из алюминия и цинка с естественными окисными слоями.
10. Экспериментально обнаружено, что приложение напряжения к n-i-p-i-nЦструктуре, выполняющей функцию перестраиваемого компонента пассивного индуктивного элемента, позволяет электрически управлять величиной индуктивности такой системы, обладающей приемлемой для практических целей добротностью. Результаты расчета зависимости индуктивности и добротности системы от величины приложенного напряжения с использованием предложенной модели, включающей комплексное сопротивление управляемой n-i-p-i-nЦдиодной структуры, позволяют получить хорошее согласование с экспериментом. Предложенную электрически управляемую индуктивность можно рассматривать как своего рода альтернативу индуктивности, управляемой магнитным полем.
11. Показано, что при переключении p-i-nЦдиодных устройств времена нарастания и спада импульса мощности радиочастотного сигнала могут быть уменьшены более чем в 7 раз при оптимальном выборе формы и длительности "ускоряющих" и "вытягивающих" управляющих импульсов.
12. Показана возможность существенного расширения диапазона перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧЦгенераторов на диодах Ганна под воздействием управляющего магнитного поля по сравнению с известными устройствами.
На основе результатов проведенных исследований разработана и создана группа новых типов устройств на полупроводниковых приборах, включающая устройства защиты, контроля и ограничения доступа на основе полупроводниковых структур с управляемыми магнитным полем характеристиками; измеритель индукции магнитного поля на основе магниточувствительных интегральных схем и магнитоуправляемых двухполюсников, обладающих повышенной чувствительностью к величине индукции магнитного поля, превосходящий по ряду своих эксплуатационных параметров известные модели промышленных тесламетров; устройство управления p-i-nЦдиодным прибором, позволяющее повысить быстродействие переключения диода, обеспечивая неискаженную передачу фронтов управляющих импульсов, а также уменьшить вносимые потери p-i-nЦдиодных приборов, примерно на 20%.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях 1. Режимы работы генератора релаксационных колебаний на магнитодиоде / А.А. Семёнов, С.И. Скворцов, С.Б. Вениг, Д.А. Усанов // Изв. ВУЗов.
Электроника, 2002. № 3. С.57-60.
2. Магнитотиристор с регулируемыми характеристиками в низкоомном состоянии / Ю.А. Чаплыгин, А.И. Галушков, А.А. Семёнов и др. // Изв.
ВУЗов. Электроника, 2004. № 3. С.42-45.
3. Магнитоуправляемый динистор / Ю.А. Чаплыгин, А.И. Галушков, А.А. Семёнов, Д.А. Усанов // Изв. ВУЗов. Электроника, 2005. № 6, С.56-60.
4. Магнитоуправляемый двухполюсник с отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ NЦтипа / Ю.А. Чаплыгин, А.И. Галушков, А.А. Семёнов, Д.А. Усанов // Изв. ВУЗов. Электроника, 2007. № 3.
С.23-29.
Magnetosensible device with negative differential resistance and NЦtype voltampere characteristic / Yu.A. Chaplygin, A.I. Galushkov, A.A. Semenov, D.A. Usanov // Semiconductors, 2008. Vol. 42. № 13. P.1536Ц1540.
5. Магнитная перестройка частоты СВЧ генератора на диоде Ганна / С.С. Горбатов, А.А. Семёнов, Д.А. Усанов и др. // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 2009. № 3. С.77-80.
6. Семёнов А.А., Усанов Д.А. Индуктивность, перестраиваемая электрическим полем // Изв. ВУЗов. Электроника, 2009. № 4(78), С.34-40.
Семёнов А.А., Усанов Д.А. Индуктивность, перестраиваемая электрическим полем // Технология и конструирование в электронной аппаратуре ("ТКЭА"), 2009. № 5. С.3-10.
7. Семёнов А.А., Усанов Д.А. Активный двухполюсник с S- и N-образной вольт-амперной характеристикой // Изв. ВУЗов. Электроника, 2009.
№ 3(76). С.17-21.
8. Температурная зависимость параметров датчиков магнитного поля на основе магниточувствительных ИС / Ю.А. Чаплыгин, А.И. Галушков, А.А. Семёнов и др. // Изв. ВУЗов. Электроника, 1996. № 1-2. С.114-116.
9. Использование магниточувствительных элементов для защиты микроэлектронных устройств от несанкционированного доступа / А.А. Семёнов, С.Б. Вениг, Д.А. Усанов и др. // Изв. ВУЗов. Электроника, 2001. № 2. С.47-51.
10. Измеритель индукции магнитного поля на основе магниточувствительных интегральных схем / С.Б. Вениг, А.А. Семёнов, А.И. Галушков и др. // Приборы и системы управления, 1998. № 5. С.34-35.
11. Семёнов А.А., Усанов Д.А. Вольт-амперные характеристики структур металл-окисел-окисел-металл с несколькими участками отрицательного дифференциального сопротивления // Письма в ЖТФ, 2008. Т. 34.
вып. 18. С.9-13.
Semenov A.A., Usanov D.A. Current-Voltage Characteristics of Metal-OxideOxide-Metal Structures with Several Regions of Negative Differential Resistance // Technical Physics Letters, 2008. Vol. 34. № 9. P.774-775.
12. Эффект синхронизации мод в СВЧ генераторе на диоде Ганна, работающем в многочастотном режиме / С.Б. Вениг, Д.А. Усанов, А.А. Семёнов, Т.Г. Захарова // Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 2000. Т. 8. № 2. С.10-15.
13. Модуляция выходного сигнала генератора на диоде Ганна воздействием на него внешнего СВЧ сигнала / Д.А. Усанов, С.Б. Вениг, С.С. Горбатов, А.А. Семёнов // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1995. Т. 38. № 9. С.982-988.
14.Смена знака нелинейной составляющей реактивности и гистерезис у диодов Ганна в режиме генерации / Д.А Усанов, С.Б. Вениг, С.С. Горбатов, А.А. Семёнов // Письма в ЖТФ, 1994. Т. 20. вып. 21.
С.21-23.
15. Влияние нелинейного характера импеданса диодов Ганна на работу СВЧ генераторов на их основе / Д.А. Усанов, С.Б. Вениг, С.С. Горбатов, А.А. Семёнов // Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 1994.
Т. 2. № 5. С.35-45.
16. Синхронизованный на субгармонике сверхвысокочастотный генератор на диоде Ганна / С.С. Горбатов, Д.А. Усанов, А.А. Семёнов и др. // Приборы и техника эксперимента, 1993. № 3. С.136-137.
17. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Семёнов А.А. Особенности многочастотной генерации СВЧ в генераторах на диодах Ганна // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника, 1993. Т. 36. № 3. С. 64.
18. Синхронизация мод в СВЧ генераторах на диодах Ганна / Д.А Усанов, С.С. Горбатов, С.Б. Вениг, А.А. Семёнов // Письма в ЖТФ, 1992. Т. 18.
вып. 12. С.26-27.
19. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Семёнов А.А. Влияние напряжения смещения на стохастизацию колебаний в диодах Ганна в многоконтурной колебательной системе // Радиотехника и электроника, 1991. Т. 36. № 12.
С.2406-2409.
20. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Семёнов А.А. Изменение вида вольт амперной характеристики диода Ганна в зависимости от режима его работы // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника, 1991. Т. 34. № 5. С.107-108.
21. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Семёнов А.А. Двухчастотный режим работы СВЧ усилителя на диоде Ганна // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1990.
Том 33. № 12. С.1429-1430.
22. Активные СВЧЦфильтры на полупроводниковых СВЧЦгенераторах, работающих в режиме синхронизации / Д.А Усанов, С.С. Горбатов, А.А. Семёнов и др. // Приборы и техника эксперимента, 1991. № 5.
С.121-122.
23. Разработка методов высокоточной оперативной многопараметрической влагометрии на основе комплекса высокочастотных и низкочастотных электрических измерений / В.Л. Баранов, А.Н. Богданов, А.А. Семёнов и др. // Вопросы прикладной физики, 2000. Выпуск 6. С. 51-57. Изд. Саратовского университета.
24. Семёнов А.А., Вениг С.Б. Устройство сопряжения лабораторного иономера ИЦ130М с персональным компьютером // Приборы и техника эксперимента, 2007. № 1. С.154-156.
25. Схема управления сверхвысокочастотными устройствами на p-i-n - диодах / С.Б. Вениг, Б.Н. Коротин, А.А. Семёнов, Д.А. Усанов // Приборы и техника эксперимента, 1991. № 5. С.134-135.
26. Усанов Д.А., Вениг С.Б., Семёнов А.А. Особенности управления СВЧ мощностью p-i-nЦдиодными устройствами // Радиотехника и электроника, 1998. Т. 43. № 11. С.1401-1403.
27. Патент РФ № 2151422. МКИ G06F12/16, 12/14, 12/00, H01L27/22, 27/00.
Микроэлектронное устройство / А.А. Семёнов, С.Б. Вениг, Д.А. Усанов № 98111305/09. Заявл. 15.06.98. Опубл. 20.06.2000. Бюл. № 17.
28. Патент РФ № 2156999. МКИ G06F12/16, 12/14. Схема защиты устройства микроэлектронного / А.А. Семёнов, С.Б. Вениг, Д.А. Усанов № 99117561/09. Заявл. 12.08.99. Опубл. 27.09.2000. Бюл. № 27.
29. Патент РФ № 2384910. МПК H01F 21/08, H01L 29/06. Катушка индуктивности, перестраиваемая электрическим полем / А.А. Семёнов, Д.А. Усанов. № 2009111240. Заявлено: 30.03.2009. Опубл. 20.03.2010.
Бюл. № 8.
30. А.c. 1479976 СССР, МКИ H01P1/15. Устройство управления p-i-n - диодом / Д.А. Усанов, С.Б. Вениг, А.А. Семёнов (СССР). № 4181902/2409. Заявлено 14.01.87. Опубл. 15.05.89. Бюл. № 18.
Семёнов Андрей Андреевич НОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМОГО ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И СОЗДАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Подписано в печать 15.06.2010.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 2. Уч.-изд.л.2,0. Тираж 120 экз. Заказ 128.
Отпечатано с готового оригинал-макета.
Типография Издательства Саратовского университета.
410012, Саратов, Астраханская, 83.