Использование сильных электрических и магнитных полей для создания нового класса преобразователей частоты

Игорь Владимирович Малышев,

к.т.н., доцент кафедры радиотехнической электроники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного Федерального Университета

С расширением верхней границы крайневысокочастотного (КВЧ) диапазона современных радиотехнических устройств в область терагерцовых значений, перед разработчиками новых устройств в радиоэлектронной промышленности, ставится задача учёта особенностей физических процессов происходящих в объёмах полупроводниковых структур при создании преобразовательных устройств нового типа. Чипы этих приборов способны в своей работе подвергаться воздействиям сильных внешних электрических и магнитных полей с большими напряжённостями.

Такие условия создаются в объёмах современных полупроводниковых структур и сверхрешёток из материалов типа A^IIIB^V, работающих в упомянутом диапазоне и обычно не учитывают объёмные диффузионные нелинейности, которые, как показано в ряде работ [1]-[5], вносят значительный вклад в плотность выходного тока. Так, в последнее время доказано, что в условиях напряжённостей внешних электрических полей, приближающихся и превышающих пороговое значение эффекта Ганна (около 4 кВ/см для GaAs), диффузионная составляющая выходного тока будет соизмерима с дрейфовой [6]-[7]. Этот учёт был обнаружен при феноменологическом представления процессов усреднённого дрейфа и разогрева и рассмотрения зависимости эффективной массы от энергии, представленной виде результата разложения в ряд Тейлора [8]. Получено, что диффузионные нелинейные компоненты должны быть учтены при расчётах выходных параметров смесителей, умножителей и автогенераторов, использующие горячие электроны в указанных частотных диапазонах. В результате теоретических расчётов обнаружены амплитудные зависимости постоянного и переменного коэффициентов диффузии, что может быть определено как «объёмный диффузионный детекторный эффект» [8], и что несомненно, является малоизученным физическим явлением. Графики зависимости D₀=f(x), полученные при x₁= var, y=var, приведены на Рис. 1 (а, б). На Рис. 1, а – сплошными линиями построены расчётные кривые, при y=0 в сравнении с экспериментальными результатами [9] (штрихпунктирная линия) и в сравнении с расчётами по трёхдолинной модели [8] (штриховая линия). Видно, что в диапазоне допороговых и сверхпороговых полей расчёты по феноменологической модели демонстрируют лучшее приближение к эксперименту.

Рис.1 Полевые зависимости для постоянного коэффициента диффузии D₀,  X = E₀ /E_{п ,} X₁ = E₁ / E_п ,  y=ω τ_э , τ и τ_э – времена релаксации импульса и энергии соответственно,  Eп - напряжённость  порогового поля эффекта Ганна, E₀  и E₁ – напряжённости постоянного и переменного полей соответственно, ω = 2πf  – круговая частота.

Исследования полевых и частотных кривых для коэффициентов нелинейности у переменных комплексных компонент коэффициента диффузии, обнаружили у них участки с наибольшей и наименьшей диффузионными нелинейностями. (По-видимому при определенных соотношениях величин X и y можно предположить наличие в полупроводнике "объемного диффузионного детекторного эффекта", когда диффузионная добавка в плотности выходного тока будет сильно амплитудно-зависимой). Полученные результаты свидетельствуют о том, что для полноты нелинейного рассмотрения моделей устройств (особенно гетеродинных автогенераторов) на объёмных структурах, использующих эффект Ганна или при проектировании преобразовательных устройств на горячих носителях, диффузионные добавки должны учитываться при определении составляющих их выходной объёмной проводимости. Известно, что при рассмотрении взаимно ортогональных воздействий сильных электрических и магнитных полей на процессы дрейфа и диффузии основные электрофизические параметры (скорость v, энергия W, квазиимпульс P и эффективная масса m) вследствие действия силы Лоренца, приобретают векторно-компонентную форму (Рис. 2).

            Рис. 2  Взаимное расположение параметров внешних  полей в декартовой  системе координат (случай воздействия на электрон внешнего постоянного электрического поля (ЭП)   вдоль оси x,  направления дрейфа носителей ( ),  и внешнего магнитного поля  (МП) с индукцией   направленного под углом α к оси z ( - проекция на ось  z)).

        Согласно соотношения Эйнштейна для связи подвижности µ и коэффициента диффузии:   , компоненты этого коэффициента вдоль осей x и y будут разными,  причем D_xбудет зависеть только от ЭП E_0x, а D_y – как от электрического, так и от МП B_z, вследствие действия силы Лоренца:   ;   ;   , где D₀ = 2τW₀/3m₀ – коэффициент диффузии в отсутствии внешних полей,  ,  ,  p_m = const для различных видов полупроводниковых материалов (p_m = 0,1 для GaAs); W₀ = 3kT₀/2 – средняя тепловая энергия носителей в отсутствии внешних полей; k – постоянная Больцмана; T₀ – комнатная температура. При этом автором и его коллегами обнаружен ряд новых эффектов на дрейфовых и диффузионных характеристиках. На Рис. 3 приведены нелинейности на дрейфовых и диффузионных характеристиках, которые демонстрируют их аналогичность для этих параметров вдоль оси x.

Рис. 3 Зависимости нормированных компонент коэффициента диффузии D_x/D₀ (сплошная линия) и дрейфовой скорости v_x/v₀ (пунктирная линия) от внешнего ЭП E_0x/E_п .

       На рис. 4 представлена дрейфовая характеристика v_x/v₀ = f(E_0x/E_п) в сравнении с характеристиками v_y/v₀ = f(E_0x/E_п, B_z) рассчитанными при различных значениях величины магнитной индукции, причем угол α между направлением вектора магнитной индукции  и осью z принят равным нулю, что соответствует  .

     Рис. 4 Дрейфовые индукционные характеристики v_y/v₀ = f(E_0x/E_п, B_z) в сравнении v_x/v₀ = f(E_0x/E_п).

     По полученным данным (Рис. 4) было построено трехмерное изображение дрейфовой индукционной характеристики (рис. 5), иллюстрирующее поведение компоненты скорости v_y/v₀ от двух основных параметров B_z и E_0x/E_п.

     Рис.5 Трехмерное изображение дрейфовой индукционной характеристики v_y/v₀ = f(E_0x/E_п, B_z)

      Аналогично, по предложенной методике были получены кривые диффузионных индукционных характеристик при различных значениях B_z (Рис. 6) и трехмерное изображение для них (рис. 7).

     Рис. 6 Диффузионные индукционные характеристики D_y/D₀ = f(E_0x/E_п, B_z)

     Рис. 7 Трехмерное изображение диффузионной индукционной характеристики D_y/D₀ = f(E_0x/E_п, B_z)

     Надо отметить, что скорее всего полевые нелинейности продольной и поперечной компонент D_x/D₀ и D_y/D₀ не удастся выделить в количественном выражении как отдельный новый эффект, т.к. диффузионная компонента тока, совокупно с дрейфовой, входит в состав выходного тока. Вместе они могут быть выявлены в результате эксперимента.  Очевидно, что для такой проверки полученных нелинейных характеристик нужно провести измерения продольной и поперечной дрейфовых (вольтамперных) характеристик в указанных выше условиях сильных ЭП и МП. Для этого предлагается изготовить методом молекулярно-лучевой эпитаксии экспериментальный образец чипа преобразователя частоты (Рис.8) и исследовать его статические ВАХ по постоянному току по предложенной схеме (Рис.9).

                                                                  
     Рис.8 Макет образца полупроводниковой структуры для экспериментальных исследований двухмерных преобразовательный свойств.         

     Рис. 9 Структурная схема установки для экспериментальных исследований.

     Параметры структуры образца нужно выбирать из соображений обеспечения формирования устойчивого доменного режима эффекта Ганна, т.е. в случае соблюдения критерия Кремера: ,  где для  n₀ ≥ 10²¹м^-3 ( высокий уровень легирования) и  n₀ < 10²¹м^-3 (низкий уровень легирования), должно выполняться условие  n₀L ≥ 10¹⁶ м^-2 при Е ≥ Е_п 

((n₀L)₁ ≈ 3^.10¹⁵ м^-2).

    Следовательно, обнаружение падающего участка на статической ВАХ в поперечном направлении (оси y), позволит сделать предположение о том, что при создании внешних условий и обеспечения соблюдения баланса амплитуд и фаз, этот участок образца возможно будет использовать в качестве активной области диода Ганна с управляемым МП напряжением порогового поля [10]. А уменьшение этой величины примерно в 2 раза (при B_z =4 Тл) даёт основание предположить, что это уменьшит выделяемую этой структурой тепловую мощность, т.е. повысит КПД генератора (гетеродина) на этом объёмном диоде [11].

    И, наконец, можно предложить рассмотрение этой структуры в качестве преобразователя (смесителя) автодинного типа, где цепь, содержащая продольный участок образца (вдоль оси x), рассматривается в качестве преобразовательного (смесительного) нелинейного элемента на который подаётся напряжение внешнего сигнала с обеспечением необходимого положения рабочей точки. Контур промежуточной частоты можно схематически расположить параллельно с образцом ПС при обеспечении ёмкостной развязки по постоянному току.

     Практическая реализация такого смесителя позволит значительно упростить его типовые конструкции [12] и обеспечить перестройку частоты гетеродина значением индукции В МП и углом её ориентации относительно ЭП [10].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Малышев И. В., Радченко А.Ф., Роздобудько В.B. Работа диодов Ганна на нерезонансную нагрузку // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника -I987-T.30,- №1. - С.15-20.
2. Малышев И.В., Филь К.А., Паршина Н.В. Нелинейность коэффициента диффузии горячих носителей в объёме полупроводника под действием электрического и магнитного полей // Известия ВУЗов. Физика- 2017- № 6. - С. 3 – 6.
3. Кротов В.И., Малышев И.В. Феноменологическая теория диффузионных свойств носителей заряда в сверхрешётках и полупроводниках с произвольным законом дисперсии // Электронная техника. Сер.6.: Материалы- Вып.1 (186). -1984- С.42-45.
4. Малышев В.А. Метод анализа микроволновых нелинейных процессов в объёме полупроводников с переменной эффективной массой носителей заряда в сверхрешётках и в приборах на их основе // Известия ВУЗов. Электроника. - 1999 - №4- С. 3-10.
5. I. V. Malyshev, K. A. Fil, A. A. Goncharova. Study of the Frequency and Phase Response of Small-Signal Conductivity of Bulk Semiconductors with Hot Carriers in Direct and Alternating Electric Fields. // Materials of 2017 International Conference on Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications (PHENMA 2017). Jabalpur. India. 2017. pp.164- 165.                               
6. Малышев И.В., Паршина Н.В. Учёт влияния диффузионной компоненты тока горячих носителей в выходной объёмной проводимости современных полупроводниковых структур // Научный журнал КубГАУ. - №134(10) – 2017. – С.1-6 http://ej.kubagro.ru/2017/10/pdf/79.pdf  
7. Малышев И.В., Филь К.А., Гончарова О.А. Анализ частотных характеристик параметров объёмной проводимости полупроводников типа A^IIIB^V в сильных электрических полях // Наука и образование на рубеже тысячелетий: сборник научно-исследовательских работ. Вып.1. – Кисловодск, 2017. – С.140-144
8. Малышев И.В., Филь К.А., Осадчий Е.Н. Способы учёта энергозависимости эффективной массы горячих носителей в объёме полупроводника типа А^IIIB^V для различных случаев дисперсии // Инженерный вестник Дона, №4 (2017) ivdon.ru/magazine/archive/n4y2017/4396
9. Ruch J.G., Kino G.S. Transport properties of GaAs //Phys. Rev. -1968 - V.174, No.3 -P.p. 921-931.
10. Малышев И.В., Осадчий Е.Н., Филь К.А. Способы управления индуцированной дрейфовой характеристикой горячих носителей внешним магнитным полем и его ориентацией относительно электрического // Успехи современной науки. 2016. № 12. С. 26 – 29.
11. I.V. Malyshev, K.A. Fil, N.V. Parshina. The Dependence of the Diffusion Coefficient in Semiconductor Materials under the Influence of the External Strong Magnetic and Electric Fields. // Materials of 2017 International Conference on Physics and Mechanics of  New Materials and Their Applications (PHENMA 2017). Jabalpur. India. 2017. pp.168 – 169
12. Малышев И.В., Ротермель Р.О. Волноводный смеситель автодинного типа на двухзатворном полевом транзисторе // Вестник научных конференций. – 2017. –№ 5-4(21). – С.90-91.