автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Особенности спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP, n-GaN

На правах рукописи

Сергеев Сергей Алексеевич

ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ п-СаАз, п-1пР, n-GaN

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

1 6 СЕН 2010

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов-2010

004608103

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского и в НИИ механики и физики С ГУ

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Михайлов Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Скрипаль Александр Владимирович

кандидат физико-математических наук, Тяжлов Виталий Семенович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ"

Защита состоится « 21 » октября 2010 г. в 18 часов 30 минут на заседании Диссертационного Совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете (410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан «_» августа 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одним из важных направлений в современной физике является исследование колебательных и волновых процессов в твердых телах1. Особенно большое внимание уделяется изучеишо волновых процессов в активных средах. Данное направление имеет как фундаментальное, так и прикладное значение, поскольку понимание особенностей волновых процессов в этих средах дает возможность построения адекватных математических моделей для их изучения, а также открывает перспективы для создания новых и совершенствования известных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.

К основным устойчивым тенденциям современной твердотельной электроники относятся повышение рабочих частот приборов и устройств, а также стремление ко все большей миниатюризации и интеграции функций элементов в пределах одной монолитной схемы. Поэтому, в настоящее время большой интерес вызывает разработка твердотельных СВЧ устройств, содержащих активные элементы с распределенными параметрами. Это определяется современными тенденциями развития СВЧ электроники и связано с потребностью в твердотельных устройствах, способных осуществлять формирование и обработку сложных информационных сигналов. Одно из современных направлений микроэлектроники - функциональная микроэлектроника, использующая для обработки сигналов не статические, а динамические неоднородности, возбуждаемые внешними воздействиями2.

Среди разделов функциональной микроэлектроники наиболее развитым в научном и техническом аспектах является акустоэлектроника. В частности, устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) применяются в различных радиоэлектронных системах обработки сигналов для решения многих радиотехнических задач3. Однако, рабочие частоты устройств на ПАВ не превышают единиц гигагерц.

Устройства на волнах пространственного заряда (ВПЗ) в полупроводниках обладают широкими функциональными возможностями, которые аналогичны возможностям акустоэлектронных устройств, но превосходят их по рабочим частотам более чем на порядок4.

Базовым элементом функциональных устройств на ВПЗ в полупроводниках можно считать тонкопленочный усилитель бегущей волны (ТУБВ), который конструктивно представляет собой тонкоплепочную полупроводниковую структуру (ТПС) с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП), обусловленный междолинными переходами. ТУБВ может выполнять в СВЧ диапазоне такие радиотехнические функции, как усиление, генерация, задержка и изменение фазы сигналов и др. Однако, создшшые к настоящему времени устройства на ВПЗ имеют все же сравнительно низкий частотный предел работы (-15 ГГц).

Исследованиями установлено, что верхний частотный предел усиления бегущих ВПЗ в ТПС с ОДП (а, следовательно, и верхний частотный предел ТУБВ) может быть увеличен, по крайней мере, двумя путями. Во-первых, применением новых материалов вместо традиционного п-СаЛ5. И, во-вторых, использованием механизма параметрического взаимодействия ВПЗ при низкочастотной накачке5, что наряду с увеличением верхнего частотного предела позволяет пополнить перечень возможных функций ТУБВ следующими: преобразование частоты, смешение со сдвигом частоты, фильтрация,

1 Инфелъд Э., Роуландс Дж. Нелинейные волны, солшоны и хаос. - М: Фщматлит, 2006. - 484 с.

2 Щука А.А. Функциональная электроника // Успехи современной радиоэлехггроники. - 2004. - № 5-6. - С. 149-168.

3 Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника // УФН. - 2005. - Т. 175, № 8. - С. 887-895.

4 Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов. - М.: МИРЭА, 1998. - 260 с.

5 Барыбин А.А., Михайлов АИ. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкоплеиочных полупроводниковых структурах // ЖТФ. - 2000. - Т. 70, вып. 2. - С. 48-52.

управляемая перестройкой частоты накачки.

В настоящее время большая часть теоретических и все экспериментальные работы по распространению и взаимодействию ВПЗ в ТПС с ОДП выполнены для структур на основе п-ваЛя, относительно небольшое количество теоретических работ посвящено п-1пР. Данные по оценке перспектив использования л-(7аЛгдля создания устройств на параметрическом взаимодействии ВПЗ в литературе отсутствуют.

При разработке и конструировании функциональных устройств на ВПЗ в ТПС с ОДП для миллиметрового диапазона особое значение приобретают работы по оптимизации конструктивно-топологических и электрофизических параметров ТПС и элементов возбуждения ВПЗ, поскольку именно в этом диапазоне находится верхняя граничная частота усиления ВПЗ. Поэтому актуальной является задача построения адекватных теоретических моделей для изучения влияния различных факторов на характеристики возбуждения, распространения и взаимодействия ВПЗ в тонкопленочных структурах с ОДП.

К моменту начала работы над диссертацией данных об экспериментальных исследованиях параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниковых структурах с ОДП в миллиметровом диапазоне в литературе не обнаружено.

Целью работы является выяснение особенностей спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-ОаАл, п-1пР или п-Оа№, анализ влияния параметров накачки, а также диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов и размеров полупроводниковой структуры на характеристики распространения и взаимодействия волн пространственного заряда, определение конкретных подходов и рекомендаций по конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона па волнах пространственного заряда в полупроводниках.

Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:

1. Анализ перспектив применения п-Са/Ь, п-1пР и п-ОаЫ в устройствах на волнах пространственного заряда.

2. Рассмотрение особенностей влияния диффузии и частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов, а также концентрации электронов в пленке п-ОаАй, п-1пР и п-ОаИ на характеристики распространения волн пространственного заряда.

3. Всесторонний анализ влияния параметров накачки, а также размеров полупроводниковой структуры на эффективность спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах на основе п-ОаАя, п-1пР и п-СаМ.

4. Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на основе п-йаАя в 8-мм диапазоне. .

5. Теоретическое и экспериментальное изучение эффективности преобразования электромагнитного сигнала в волну пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре и обратно.

Научная новизна. При проведении теоретических и экспериментальных исследований установлены физические закономерности, дающие новые сведения о механизме параметрического взаимодействия воли пространствешгого заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП.

Установлена степень влияния частоты и мощности накачки, а также частоты сигнала и конечных размеров исследуемой структуры на «изрезанность» (количество максимумов и минимумов) зависимостей коэффициентов параметрического усиления и преобразования волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала.

Впервые проведен анализ перспектив использования п-СаЫ для создания устройств на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда. Показано, что примените п-СаЫ позволит создавать более мощные и эффективные устройства данного типа вплоть до 4-мм диапазона, перестраиваемые частотой и амплитудой накачки.

Определены границы применимости линейного приближения для анализа распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в структурах п-ОаАя при низкочастотной накачке.

Впервые проведено экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП в 8-мм диапазоне.

Показана возможность эффективного управления спектральным преобразованием при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП изменением параметров накачки.

Проанализирована предложенная конструкция преобразователя частоты миллиметрового диапазона на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП с выходным элементом связи в виде частотно-избирательной встречно-штыревой системы полосковых контактов с барьером Шоттки.

Практическая значимость работы. Выработаны конкретные подходы и рекомендации по разработке и конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с ОДП. Построены модели, позволяющие рассчитывать геометрические размеры элементов связи, служащие для преобразования электромагнитных сигналов в ВПЗ и обратно, а также рассчитывать оптимальные параметры и характеристики полупроводниковых структур для устройств на ВПЗ для каждой из трех областей: области возбуждения ВПЗ, пролетной области и области преобразования ВПЗ в электромагнитный сигнал таким образом, чтобы на выходе устройств амплитуды всех паразитных спектральных составляющих были пренебрежимо малыми по сравнению с амплитудой полезного сигнала.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы при разработке приборов и устройств в рамках НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ.

По результатам исследований получено 2 патента РФ и свидетельство на полезную модель.

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе (лекционный курс «Полупроводниковая волновая электроника» и семинарские занятия по курсу «Твердотельная электроника» для студентов ФНБМТ СГУ).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках «-типа с отрицательной дифференциальной проводимостью может заметно (до 40 % для /¡-боАу, до 10 % для п-1пР) отличаться от дрейфовой скорости электронов. Это особенно важно для полупроводниковых материалов с большим коэффициентом диффузии (более 100 см^с) и при концентрациях электронов в полупроводниковой структуре более 5-10го м~3.

2. Геометрические размеры (толщина и длина /¡-слоя) структур на основе п-ОаАз, п-1пР или п-ОаЫ, а также их асимметрия являются причиной возникновения «изрезанно-сти» (некоторого количества выраженных экстремумов) на зависимостях коэффициентов параметрического усиления и преобразования от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала. Уменьшение частоты накачки и/или сигнала и увеличение

амплитуды накачки приводят к увеличению числа таких экстремумов. 3. Для эффективного преобразования электромагнитных сигналов в волны пространственного заряда в полупроводниковых структурах и-типа возможно применение одиночных металлических полосковых контактов с барьером Шоттки с малым значением контактной разности потенциалов (не более 0,2-Ю,3 В), а концентрация носителей заряда в и-слое полупроводника под входным элементом связи и ширина полоскового контакта должны быть оптимизированы для частоты слабого входного сигнала. Использование встречно-штыревого преобразователя на выходе полупроводниковой структуры на волнах пространственного заряда позволяет получить качественную фильтрацию полезного преобразованного сигнала и подавление паразитных частотных составляющих.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1994 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96» (г. Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузововской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (г. Саратов, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98» (г. Саратов, 1998 г.); VI Международной научно-технической конференции «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1999 г.); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электрогаюго приборостроения» (г. Саратов, 2003 г.); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2003 г.); VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 r.);VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.); Я международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Дагестан, 2009 г.); VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы современной науки и образования» (г. Сибай, 2010 г.); П Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010 г.), Научных семинарах кафедры физики полупроводников СГУ.

Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены дипломом, как лучшая работа секции «Математические методы в технических и инженерных приложениях» П Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века».

Публикации. Материалы диссертации изложены в 38 печатных работах, в их числе 11 статей в реферируемых журналах (7 статей списка ВАК), 2 патента РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 14 статей в сборниках, 1 учебное пособие.

Личный вклад соискателя состоит в разработке математических моделей и программ для исследования возбуждения, распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в структурах на основе n-GaAs, n-InP и n-GaN, проведении экспериментальных исследований, анализе и обработке полученных результатов. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введешм, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 177 страниц машинописного текста, в их числе 54 рисунка, 3 таблицы, в списке литературы 226 наименований.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность решаемых задач, сформулирована цель работы,

ее научная новизна, научно-практическая ценность, основные результаты и положения, выносимые на защиту, отмечается апробация, публикации и личный вклад автора, описывается структура и объем диссертации.

Первая глава содержит аналитический обзор литературы по теме диссертации. Рассмотрено распространение волн в различных активных средах. Изучены функциональные возможности и ограничения акустоэлектропики. Особое внимание уделено распространению волн пространственного заряда в полупроводниках с ОДП, а также параметрическому взаимодействию ВИЗ в полупроводниках с ОДП. Обоснована актуальность и новизна задач диссертационного исследования.

Во второй главе проведено исследование перспектив п-ОаАн, п-1пР и п-СаАг для применения их в устройствах на ВПЗ. Сравнительный анализ основных электрофизических параметров п-СаАз, п-1пР и п-СаЯ показал, что п-1пР и п-йаМ являются наиболее перспективными материалами для изготовления высокочастотных приборов на ВПЗ, а по таким параметрам как коэффициент диффузии В, дрейфовая скорость электронов у0 и диэлектрическая проницаемость в п-СаЯ имеет очевидное преимущество перед п-1пР, который в свою очередь превосходит аналогичные параметры и-баЛя. Менее жесткое условие электрической устойчивости позволяет применять более толстые структуры п-СаЫт> сравнешпо с п-1пР и п-ОаМ, а теплопроводность и поле пробоя у п-ОаМ гораздо выше, чем у п-1пР и п-ОаАя, что является достоинством при разработке мощных приборов. Более высокое пороговое поле возникновения ОДП в п-1пР, и особенно в п-йаУ -самый большой недостаток этих материалов при применении их в низкочастотных устройствах, т.к. это ведет к высокому энергетическому потреблению в тонких активных слоях и к сильному разогреву полупроводника. Таим образом, п-1пР и п-ОаЫ являются перспективными материалами для использования их в устройствах на ВПЗ.

Обзор литературных данных обосновал выбор параметров и величин, характерных для п-0аАз, п-1пР и п-ОаЛГ, которые в дальнейшем использовались для проведения всех численных расчетов:

-для п-ваМ-. 12,5; для Ей = 5,5 кВ/см, у0 = 1,7-107 см/с,В = 200 см2/с; (1)

- для п-1пР: б = 12,35; для Е0 = 18,5 кВ/см, у0 = 2,3-Ю7 см/с, В = 50 см2/с; (2)

- для п-ОаЫ: с = 9,7; для Е0 = 200 кВ/см, у0 = 2,8-Ю7 см/с, I) 23 см2/с. (3)

Было изучено влияние диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности на постоянную распространешы ВПЗ в п-ОаАя, п-1пР и и-СгьУ. Из уравнений непрерывности и Пуассона, а также из выражения для плотности полного тока с учетом диффузионной составляющей и тока смещения в малосигнальном приближении было получено уравнение относительно продольной постоянной распространения ВПЗ у = а + ф в одномерном случае, из которого была выведена формула для расчета постоянной распространения уь соответствующей прямой волне, которая распространяется в направлении дрейфа электронов. Численные расчеты действительной а и мнимой Р частей постоянной распространения ВПЗ проводились для п-йаАз, п-ЫР и п-ОаЫ. Получены результаты:

Область частот усиливаемых ВПЗ для п-1пР и п-ОаЫ по крайней мере, в два раза превышает аналогичную область для п-СаАз.

При расчете характеристик распространения ВПЗ кроме учета диффузии необходим учет дисперсии действительной части дифференциальной подвижности электронов, который приводит к их значительному изменению (например, снижешпо граничной частоты усиливаемых волн пространственного зарядадля п-СаАя: от 10 % при пй = 1014 см"3 до 23 % при и„ = 4-Ю15 см"3; для п-1пР\ от 1,5 % при щ = 1014 см3 до 9% при щ = 1015 см"3; для п-СаЫ от 1 % при и0 = 1014 см"3 до 7 % при п0 = 1015 см"3). Учет дисперсии мнимой части дифференциальной подвижности электронов также приводит к изменению характеристик распространения ВПЗ, но исходя из того, что это изменение не такое значительное, как в случае с действительной частью дифференциальной подвижности, а учет

мнимой компоненты приводит к усложнению модели и увеличению времени численных расчетов, в дальнейшем исследования проводились без учета мнимой компоненты дифференциальной подвижности электронов.

Влияние диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов на (5 не такое значительное, как на а, однако, при учете диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов, с ростом п0 появляется различие между Р и величиной со / у0, то есть фазовая скорость ВПЗ отличается от у0. В связи с этим проведено теоретическое исследование влияния диффузии и частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов на фазовую скорость ВПЗ.

Фазовая скорость ВПЗ при рассчитанной постоянной распространения у] может быть определена по формуле гр!, = ш / (3. На рис. 1 представлены зависимости фазовой скорости ВПЗ ур/, от частоты/= со / 2л, рассчитанные для п-ваЛя щ = 1014 см'3 (сплошные

кривые с номером 1), 5Т014 см"3 (2) и 101! см"3 (3), штрихпунктирная кривая аналогична 2, но получена без учета зависимости от f. Также на рис. 1 для сравнения приведена зависимость V,,/, от/для О = 400 см2/с и Яо= 5-1014 см"3 (пунктирная кривая). Исследования, проведенные для п-йаАэ, п-1пР и п-ОаИ показали, что фазовая скорость ВПЗ может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов. При этом на частотах ниже граничной частоты усиливаемых ВПЗ/с фазовая скорость ВПЗ меньше, чем дрейфовая скорость электронов, а для частот/>/с, становится больше Анализ показывает, что отличие фазовой скорости ВПЗ от Уо непосредственно связано с влиянием диффузии и для п-СаАх ур/, может отличаться от Уо на 30^-40 %. Для п-1пР различие между \-рк и не такое существенное и составляет примерно 4-^5 %, а для и-С?аЛг это различие пренебрежимо мало. Это связано с меньшей величиной коэффициента диффузии электронов В у п-1пР и п-СаЫ по сравнению с п-ОаАл. Эти результаты необходимо учитывать при определении геометрических размеров элементов связи, служащих для преобразования электромагнитных сигналов в ВПЗ и обратно.

Также в данной главе приводятся результаты теоретического исследования влияния концентрации электронов щ в пленках п-ОаАз, п-1пР и n-GaNB.iL граничную частоту усиления ВПЗ в ТПС с ОДП с учетом зависимости дрейфовой скорости электронов у0 и дифференциальной подвижности д</ от щ. Рассмотрена ТПС с сильной асимметрией: полупроводниковая пленка на полуизолирующей подложке из того же полупроводникового материала и сверху граничит с воздухом. Использовалась модель жесткой границы потока электронов, совпадающей с реальной физической границей пленки.

Конкретные численные расчеты были проведены для и-(гл4.г, п-1пР и п-ОаК В расчетах учитывались зависимости у0 и ^ от щ в виде аналитических аппроксимаций, полученных с использованием экспериментальных и теоретических данных.

Результаты расчетов граничной частоты /с для основной тригонометрической моды ВПЗ приведены на рис. 2. Пунктирными кривыми изображены зависимостиот щ, полученные без учета зависимостей Уо и ^ от щ, а сплошными - такие же зависимости с их учетом. Кривые с номером 1 соответствуют п-1пР, 2 - и-СгаЛя, 3 - и-Сга/У.

Проведенный анализ показал, что максимальное значение граничной частоты уси-

Рис. 1

ливаемых ВПЗ будет достигаться при концентрации электронов в пленке п-ваАз лопш=(1"^2)'1015 см"3, для п-1пР - п0пш= (б-7)-10!5см"3, ДЛЯ П-ваИ - Потах- (2-КЗ)-1016 см"3. Эти же величины могут рассматриваться и как оптимальные значения концентраций легирующей примеси в полупроводниковой пленке при создании наиболее высокочастотных устройств на ВПЗ.

В третьей главе разработаны математические модели и программы для анализа распространения и параметртеского взаимодействия ВПЗ в одномерном случае и в ТПС симметричного и асимметричного типов на основе п-СаЛя, п-1пР и п-йаЫ, проведено исследование распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в ТПС с ОДП. Анализ проводился в предположении, что в полупроводниковой пленке создано сильное постоянное электртеское поле, параллельное плоскости пленки и оси г, напряженность которого Е0 соответствует участку ОДП на зависимости дрейфовой скорости электронов у от Е. Также предполагалось, что в полупроводниковой пленке кроме слабой ВПЗ с частотой (сигнал) возбуждена и более интенсивная волна накачки с частотой /р < (низкочастотная накачка). Вследствие нелинейности полупроводника возникает ВПЗ холостой частоты-/р. Кроме того, считался известным характер распространения монохроматических ВПЗ в пленке вдоль оси г, то есть, известны постоянные распространения в направлешт г.

Одномерный случай

Линейный анализ. Из выражений для плотности полного тока с учетом диффузионной составляющей и тока смещения, а также уравнения Пуассона в малосигнальном приближении была получена система двух обыкновенных дифференциальных уравнений для амплитуд связанных волн пространственного заряда сигнальной^ и холостой^ частот, которая позволяет анализировать параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в ТПС с ОДП при низкочастотной накачке. Получе1шая система уравнений решалась численно для п-ОаМ методом Рунге-Кутта 4-го порядка. В результате численного решения системы уравнений рассчитывались коэффициент усиления сигнальной волны и коэффициент преобразования сигнальной волны в холостую.

При выполнении численных расчетов были получены следующие результаты: с увеличением амплитуды накачки коэффициенты усиления и преобразования возрастают и в зависимости от длины взаимодействга и при определенных значениях амплитуды накачки становятся положительными величинами. Подача низкочастотной накачки приводит к увеличению граничной частоты усиливаемых ВПЗ, а амплитуда сигнальной и холостой частот на выходе устройства составляют величины одного порядка.

Нелинейная локально-полевая модель. Использовался вариант, в котором зависимость дрейфовой скорости электронов у„(Е) от напряженности электрического поля Е (г,0 задается известным аналитическим выражением

у >1а£(2,0 + Уя(г(г,0/Да)*| Где ^ = 0;9 = 0]8.105 м/с. е = 3>8.105 в/м

1 + {Е{г,()/ЕаУ

- параметры аппроксимации зависимости у„(£) при температуре 300 К. Из уравнений непрерывности и Пуассона, а также выражения для плотности полного тока была получена система уравнений, которые аппроксимировались с помощью конечно-разностных схем

/„ГГц

и решались численно на ЭВМ для п-ваЛя при определенных начальных и граничных условиях. Для заданных параметров образца и параметров возбуждения рассчитывались значения п(г) и в точке 2 = 60 мкм получали п{{). Далее проводили разложение полученных зависимостей п(?) в ряд Фурье и выделялись составляющие л//) и л,(/), рассчитывались коэффициент усиления сигнальной волны и коэффициент преобразования сигнальной волны в холостую.

Проведенные исследования показали, что при выходе мгновенных значений напряженности электрического поля за пределы некоторого интервала напряженности результаты линейной и нелинейной моделей начинают расходиться. В частотном спектре появляются гармонические составляющие со значительной амплитудой. Сравнение результатов, полученных в рамках данной модели, с результатами линейного приближения позволило определить границы применимости линейной модели для п-0аАз\ £тах ~ 8 кВ/см и £тщ ~ 3,3 кВ/см. Если напряженность электрического поля ВПЗ холостой частоты или ВПЗ накачки становится больше Е^ или меньше Е^п > то волновое движение претерпевает существенное изменетге.

Симметричная ТПС представляет собой полупроводниковую пленку с толщиной Т и диэлектрической проницаемостью Е, которая граничит сверху и снизу со слоями изоляторов с одинаковыми толщинами 5 и диэлектрическими проницаемостями £]. Наружные плоскости изоляторов, параллельные пленке, в общем случае могут быть металлизированы.

Считалось, что действительные компоненты постоянных распространения в направлении г в одномерном и двумерном случаях (а; и ОС^) связапы между собой соот-

ношением а'р = а, ■К.-(Т), где К А Т) =

Г \

е

+

, / = 5 ,;, р - коэффициент, вы-V етс/,г/

ражающий влияние толщины пленки Т как результат выхода части силовых линий электрического поля ВПЗ за пределы плешей полупроводника.

Как и в одномерном случае, из выражений для плотности полного тока с учетом диффузионной составляющей и тока смещения, а также уравнения Пуассона в малосиг-налыгом приближении была получена система двух обыкновенных дифференциальных уравнений для амплитуд связанных ВПЗ сигнальнойи холостой/; частот, которая решалась численно методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Для параметров и величин, входящих в уравнения, были взяты численные значения характерные для п-ОаА5. В результате численного решения системы уравнений рассчитывались коэффициенты усиления Ь и преобразования Ьр и были получены следующие результаты:

С увеличением амплитуды накачки ЬкЬр возрастают и в зависимости от Т и длины взаимодействия при определенных значениях амплитуды накачки становятся положительными (X > 0 - усиление, Ьр> 0 - автодшшое преобразование). Уменьшение Т и длины взаимодействия, а также увеличениетребует для достижения Ь > 0 увеличивать амплитуду накачки на входе. Параметрический механизм взаимодействия ВПЗ в симметричной ТПС на основе п-ОаА$ позволяет повысить верхнюю частотную границу усиливаемых волн пространственного заряда примерно на 30 %. Зависимости Ь и Ьр от Г остаются существенными до Т= (3-^4) где Х^ - длина ВПЗ с частотами и /¡. При больших Т зависимости Ь и Ьр от Т стремятся к насыщению, и результаты, даваемые одномерной и двумерной моделями, практически совпадают.

ТПС с сильной асимметрией. Этот случай наиболее близок к реальным ТПС устройств на ВПЗ, представляющим собой пленку полупроводника, выращенную на полуизолирующей подложке и граничащую сверху с воздухом. На основе общей теории параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в ТПС с ОДП проведен

анализ параметрического взаимодействия мод ВПЗ основного типа. Из бесконечной системы связанных уравнений получена система из двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка относительно амплитуд сигнальной и холостой частот.

Для решения системы уравнений применялся метод Эйлера с пересчетом. Рассчитывались значения амплитуд холостой и сигнальной волн в зависимости от координаты г. При этом в качестве параметров выбирались определетшые значения частоты сигнала, частоты и мощности накачки. Для полученных значений были вычислены коэффициенты усиления сигнальной волны К„ и передачи с преобразованием сигнальной частоты на входе в холостую частоту на выходе К,.

Расчет коэффициентов Ка и К, производился для параметров полупроводниковой плешей на основе n-GaAs, n-InP и n-GaN, толщина пленки определялась из условия обеспечения стационарного распределения поля и концентрации электронов (предотвращения образования ганновских доменов). Учитывались частотные зависимости дифференциальной подвижности электронов. По результатам численного эксперимента получены зависимости коэффициентов Ка и К, от координаты z, амплитуды накачки Рр, частоты накачки fp и частоты сигнала fs. Зависимости Ка и К, от z, Pp,fp и fs имеют сходный характер для всех рассмотренных материалов, поэтому на рис. 3 приведены зависимости только для п-1пР. Сплошные кривые соответствуют Ка, а пунктирные - К,. На рис. За графики соответствуют f¡ = 95 ГГц \ifp = 20 ГГц, Рр = 1,8-10"3 мВт (кривые с номером 1 );fp = 60 ГГц, Рр = ЗДб-10"3 мВт (2);/р = 80 ГГц, Рр = 0,278 мВт (3). Штрихпунхтирная кривая на рисунке построена для случая, когда накачка отсутствует. Видно, что по мере распространения вдоль оси z сигнальная и холостая ВПЗ периодически обмениваются мощностью, сохраняя общую тенденцию роста амплитуды обеих воли. На конце участка (z = 50 мкм) величины Ka(z) и K,{z) могут становиться положительными, что свидетельствует об эффективной параметрической связи ВПЗ сигнальной и холостой частот.

На рис. 36 приведены зависимости Ка и К, от Рр при fs~90 ГГц для двух частот накачки: fp- 70 ГГц (кривые с номером 1) и fp = 10 ГГц (2). Как видно из рисунка, при определенных значениях Рр, Ка и К, на конце участка взаимодействия (при z = 50 мкм) могут стать положительными величинами (К, > 0 - автодинное преобразование, Ка > 0 -усиление), а амплитуда сигнальной и холостой волн пространствешюго заряда составляют величины одного порядка. На рис. Зв приведены зависимости Ка и К, от частоты накачки fp для Рр = 4,59-Ю"1 мВт и= 82 ГГц (кривые 1), 100 ГГц (2). Видно, что изменение частоты и мощности накачки на входе приводит к существенному изменению Ка и К, (до 40-^-50 дБ). На рис. Зг изображены зависимости К0 и К, от частоты сигнала^ при отсутствии накачки (кривые 1), дм/р = 20 ГГц и Рр = 4,59-Ю"4 мВт (2),fp = 60 ГГц и Рр = 4,59-10"4 мВт (3),fp =/с = 80,65 ГГц и Рр = 0,35 мВт (4).

Подача низкочастотной накачки приводит к заметному повышению верхнего частотного предела усиливаемых ВПЗ. Причем, максимальное увеличение граничной частоты происходит в случае fp=fc и составляет для n-GaAs примерно 27 % (40 ГГц), п-ЫР 32 % (106 ГГц), n-GaN 14 % (59 ГТц). Также наблюдается автодинное преобразование при частоте входного сигнала для n-GaAs примерно до 48 ГГц, п-1пР до 108 ГТц, n-GaN до 61 ГГц. Зависимости коэффициентов усиления и преобразования от продольной координаты, амплитуды и частоты накачки имеют изрезанный характер, т.е. некоторое количество ярко выражешшх экстремумов (минимумов и максимумов). «Изрезанность» зависимостей, как показало численное моделирование, связана с учетом конечных размеров ТПС и, что наиболее существенно, асимметрии структуры. Для п-1пР она больше, чем для n-GaAs, у которого она в свою очередь выше, чем у n-GaN, что является отличительной особенностью п-1пР, и облегчает возможность подбора необходимого для выполнения конкретных задач вида зависимостей Ка и К, от частоты и мощности накачки.

Ка, К,, дБ

г)

Рис.3 12

4

Л

\ Г ■

II г -ч

\ • 1 у _ /

1

т

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию параметрического взаимодействия ВГО в ТПС на основе и-СоАу, а также некоторым вопросам разработки устройств на эффекте параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС с ОДП.

Была разработана, изготовлена и экспериментально исследована ТПС на основе п-СаАэ, структура которой имеет вид планарной конструкции (топология изображена на рис. 4) и представляет собой эпитаксиалъную пленку п-йаАз (на рис. 4-1) толщиной с! = 1,4 мкм, выращенную на полуизолирующей подложке (2). Концентрация примеси в пленке п0 = 5 1014 см"3 выбиралась совместно с толщиной пленки а из соображения необходимости обеспечения стационарного распределения поля и концентрации электронов.

На поверхности пленки были созданы катодный и анодный омические контакты (ОК) V = 290 мкм (3) и, расположенные между ними входной и выходной элементы связи ТПС с электродинамической системой, выполненные в виде одинаковых по-лосковых БШ (4). Между катодным и анодным ОК (I = 60 мкм) в рабочем режиме прикладывалось большое статическое напряжение смещения, которое вызывало дрейф электронов в пленке. Входной и выходной полосковые БШ (/[ = 2,5 мкм, /2 = 1,5 мкм) служат для преобразования входных электромагнитных сигналов в ВПЗ и для обратного преобразования ВПЗ в выходные сигналы .

Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в изготовленной ТПС п-СаАя проводилось в 8-мм диапазоне. Для подвода и отвода СВЧ сигналов от ТПС использованы отрезки копла-нарных линий передачи. Для использования стандартной измерительной СВЧ техники в тракте накачки (3-см диапазон) применялись переходы от копланарной линии к коаксиальной, а в тракте сигнала (8-мм диапазон) разработанные в ходе выполнения данной работы волноводно-кошганарные переходы. В качестве генераторов накачки использовались генератор Г4-80 (2,56-4 ГГц) и генератор качающейся частоты (ГКЧ) из состава панорамного измерителя Р2-61

(8-12 ГГц).

На рис. 5 показаны зависимости коэффициента преобразования К„р от частоты , построенные по экспериментальным данным для мощности сигнала 1 мкВт, Р„ = 18 мВт, /р = 4 ГГц. Анализ экспериментальных данных показал, что коэффициент Кпр сильно зависит от частоты и мощности накачки, частоты сигнала и может достигать значений (- 0,5)-(- 0,2) дБ, полоса по уровню - 3 дБ равна Д £ = 3,2 ГГц. Пунктирной кривой представлена зависимость К, от^ , рассчитанная по методике, описанной в главе 3, для экспериментальных параметров и мощности накачки на входе Рр = 0,18 мВт. Сравнение сплошной и пунктирной кривых (Рис. 5) позволяет сказать, что теоретические результаты достаточно хорошо количественно согласуются с экспериментальными.

1

1' У

2

Рис. 4

30

31

32

/„ГГц

Таким образом, показано, что К,п. Кс. дБ механизм параметрического взаимо-

действия ВПЗ в ТПС на п-ваЛя при низкочастотной накачке может использоваться для эффективного преобразования частоты в 8-мм диапазоне, что согласуется с теоретическими результатами данной работы. -4 / \ \ При разработке и конструиро-

вании функциональных устройств на волнах пространственного заряда в ТПС с ОДП для 8-мм диапазона Рис. 5 особое значение приобретают рабо-

ты по оптимизации конструктивно-топологических и электрофизических параметров ТПС и элементов возбуждения волн пространственного заряда. Это связано с тем, что именно в этом диапазоне находится граничная частота усиления волн пространственного заряда.

Входпая область. В качестве элементов связи ТПС с электродинамической системой, обеспечивающих возбуждение ВПЗ, в настоящее время чаще всего используются одиночные полосковые БШ, важным свойством которых является широкополосность. Теоретически и экспериментально показано, что для эффективного возбуждения волн пространственного заряда в ТПС с ОДП целесообразно применять одиночные барьеры Шоттки со значением контактной разности потенциалов ф0 = 0,2:0,3 В. Ширина входного элемента связи и концентрация электронов под ним должны быть подобраны таким образом, чтобы оптимизировать возбуждение ВПЗ сигнальной частоты.

2 3 Выходная область. Предложена новая

конструкция выходного элемента связи (ЭС) устройств на волнах пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах. Схематическое изображение конструкции выходного ЭС представлено на рис. 6, который представляет собой эквидистантную неаподизированную встречно-штыревую сис-1 тему полосковых контактов с БШ, состоящую

из N пар штырей (на рис. б N =3), расстояние ч^ ; между центрами которых равно с1. На рис. 6:

1 - встречно-штыревая система контактов с БШ; 2 - тонкий диэлектрический слой (8102); 3 - металлические шиш, нанесенные на поверхности полуизолирующей подложки за пределами тонкой пленки п-ОаАв под диэлектриком 2; 4 - контактные площадки выходного ЭС. Конденсаторами символически изображена емкостная связь отдельных полосковых контактов встречно-штыревого преобразователя (ВШП) с соответствующими пщна-рис б ми. Пунктирными горизонтальными линиями

показаны границы потока электронов, дрейфующих от катода к аноду. Вертикальные штрихпунктирные линии отмечают середины соседних полосковых контактов.

Были получены соотношения, позволяющие рассчитать СВЧ напряжение на выходном элементе связи (ВЩП), зная напряженность электрического поля ВПЗ под ним, по которым проведено математическое исследование характеристик выходного преобразователя ВПЗ в электромагнитный сигнал и получены следующие результаты:

Для лучшего преобразования волн пространственного заряда в электромагнитный сигнал нужно использовать БШ с высотой барьера ф0 = 0,7-Ю,9 эВ. Концентрация носителей заряда в рабочей области под выходным элементом связи должна быть порядка (3-г5)-1021 м"3. Подбором количества пар штырей N и шага ВШП можно эффективно менять АЧХ выходного элемента связи и всего устройства в целом.

В качестве примера использования, разработанной в данной работе модели, предложена новая конструкция преобразователя частоты 8-мм диапазона, использующего эффект параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-СаАз, теоретически проанализировано влияние различных конструкторско-топологических и электрофизических параметров на амплитудно-частотную характеристику преобразователя.

Преобразователь частоты представляет собой ТПС, топология и технология изготовления которой сходна с описанной выше, кроме выходного элемента связи, в качестве которого используется встречно-штыревая система полосковых контактов с БШ, которая создается по единой технологической схеме при формировании топологического рисунка омических контактов и БШ на поверхности полупроводниковой пленки.

Показано, что за счет применения ВШП в качестве выходного элемента связи может быть обеспечена качественная фильтрация полезных и подавление паразитных спектральных составляющих. Управление видом АЧХ преобразователя может эффективно осуществляться выбором конкретных размеров конструктивных элементов преобразователя, электрофизических параметров полупроводниковой пленки, а также в наиболее существенной степени выбором числа пар штырей выходного элемента связи. В ходе работы были получены соотношения, позволяющие рассчитать геометрические размеры преобразователя так, чтобы на его выходе амплитуды всех паразитных спектральных составляющих были пренебрежимо малыми по сравнению с амплитудой фильтруемого сигнала.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

В приложениях приведены громоздкие математические выводы, а также справки об использовании результатов исследований автора по тематике диссертации.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе

Показано, что при расчете характеристик распространения волн пространствежого заряда принципиален учет диффузии и дисперсии действительной части дифференциальной подвижности электронов.

Оптимальное значение концентрации легирующей примеси щ при разработке наиболее высокочастотных устройств на волнах пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-1пР составляет величину порядка (1-2)-1016 см"3, для п-ваАз щ ~ (1-2)-1015 см"3, а для п-ваИи„ ~ (5-6)-1016 см"3.

Фазовая скорость волн пространственного заряда урк может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов у0. Различие урь и у0 возрастает с ростом концентрации электронов щ и при увеличении коэффициента диффузии £). Для п-ОаАз для частот, меньших граничной частоты усиливаемых волн пространственного заряда, это различие может достигать 30-5-40 %, для п-1пР - 8-КО %.

Максимальное увеличение верхнего частотного предела усиливаемых волн пространственного заряда в структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью при параметрическом взаимодействии в условиях низкочастотной накачки наблюдается при равенстве частоты накачки и граничной частоты усиливаемых волн пространствец-

кого заряда (поскольку в этом случае можно использовать максимальную мощность накачки) и составляет для n-GaAs примерно 27 % (до 40 ГГц), для п-1пР - примерно 32 % (до 106 ГГц) и для n-GaN-примерно 13 % (до 56 ГТц).

Амплитуда волн пространственного заряда холостой частоты на конце участка параметрического взаимодействия может достигать величин того же порядка, что и амплитуда сигнальной волны пространственного заряда, при этом может быть получено авто-дшшое преобразование при частоте входного сигнала для n-GaÁs примерно до 48 ГГц, п-InP - до 108 ГГц, n-GaN - до 61 ГТц. Таким образом, параметрический механизм взаимодействия волн пространственного заряда в структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью может быть основой создания активных смесителей коротковолновой части СВЧ диапазона (в частности - смесителей сдвига).

Линейным приближением для анализа характеристик распространения волн пространственного заряда в n-GaAs без заметной потери точности можно пользоваться в случае, когда мгновенные значения напряженности электрического поля находятся в интервале от 3,3 кВ/см и до 8 кВ/см. При выходе за границы этого интервала полей ампли-тз'ды гармонических составляющих превышают 10 % от амплитуды основной гармоники.

Эффективностью спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах n-GaAs, n-InP и n-GaN в миллиметровом диапазоне в условиях низкочастотной накачки можно управлять (до 50 дБ) изменением частоты и амплитуды накачки.

Учет конечных размеров тонкопленочной полупроводниковой структуры - толщины и длины пленки и, что наиболее существенно, асимметрии структуры приводят к тому, что зависимости коэффициентов усиления и преобразования от продольной координаты, амплитуды и частоты накачки имеют изрезанный характер.

Разработаны топология схемы питания и схемы подвода СВЧ сигналов к тонкопленочной полупроводниковой структуре на базе копланарных линий. В тракте накачки применялись переходы от копланарной линии к коаксиальной, а в тракте сигнала - разработанные в процессе выполнения данной работы волноводно-копланарные переходы.

Создан действующий макет преобразователя частоты 8-мм диапазона на эффекте параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на n-GaAs в условиях низкочастотной накачки.

Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на n-GaAs в условиях низкочастотной накачки показали, что данный механизм может использоваться для эффективного преобразования частоты в 8-мм диапазоне.

Теоретически и экспериментально показано, что для эффективного возбуждения волн пространственного заряда с частотами накачки и сигнала необходимо использовать одиночные полосковые БШ с малым (0,2^0,3 В) значением контактной разности потенциала, а концентрация носителей заряда под входным элементом связи и ширина полос-кового контакта должны быть оптимизированы для частоты слабого входного сигнала.

Использование на выходе устройств на волнах пространственного заряда встречно-штыревого преобразователя позволяет получить эффективную фильтрацию полезного преобразованного сигнала и подавление паразитных составляющих. Концентрация носителей заряда под выходным элементом связи должна быть порядка (4+6)-10"' м"3. При выборе периода встречно-штыревого преобразователя необходимо учитывать, что фазовая скорость волн пространственного заряда сигнальной и холостой частот может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов.

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе (лекционный курс «Полупроводниковая волновая электропика» и семинарские занятия по курсу «Твердо-

тельная электроника» для студентов ФНЕМТ СГУ). Разработанные модели и программы применяются в процессе обучения студентов при рассмотрении волновых процессов в полупроводниках, а также при изучении основ математического моделирования в твердотельной электронике.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в ТПС с ОДП, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы при разработке приборов и устройств в рамках нескольких IDIP, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ. Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1995. - Т. 38, № ю. - С. 43-51.

2. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Преобразование частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Письма в ЖТФ. - 1996. - Т. 22, вып. 24.-С. 75-78.

3. Фильтрация сигналов в устройствах на волнах прострапствешюго заряда в полупроводниках / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, A.A. Горячев, И.В. Метин // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. - 1999. - Т. 7, № 3 (24). - С. 101 -102.

4. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в тонкопленочпой полупроводниковой структуре одиночным полосковым барьером Шотг-ки//ЖТФ.-1999.-Т. 69, вып. 1.-С. 128-130.

5. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние концентрации электронов в пленке арсенида галлия на граничную частоту усиления волн прострапствешюго заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах//Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25, вып. 4. - С. 85-90.

6. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев A.A. Шгтегрированный преобразователь частоты миллиметрового диапазона длин волн на волнах пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника-2000.-Т. 43, № 2.-С. 16-24.

7. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Граничная частота усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-ЬР и n-GaN // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 1. - С. 33-37.

8. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью. Ч. 1. Формулировка модели // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 2. - С. 102-107.

9. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - Вып. 4. - С. 75-76.

10. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP и n-GaN // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - Вып. 16. - С. 38-39.

11. Сергеев С.А., Михайлов А.И., Сергеева Б.В. Эффективность спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // В мире научных открытий. — 2010. — № 4 (10), 4.6. -С. 49-52.

12. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Гл)ховской Е.Г. Физические основы твердотельной электроники и микроэлектроники: Планы семинарских занятий: Учеб. пособие для студ. фак. нано- и биомедицинских технологий. - Саратов: ООО «Редакция журнала «Промышленность Поволжья», 2008. - 116 с.

13. Патент 2081482 РФ, МКИ Н 01 Р 5/107. Волноводно-копланарный переход / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев (РФ).-Ks 94022119/09; Заявлено 16.06.94.; Опубл. 10.06.97.; Приоритет от 16.06.94., Бюл. № 16.

14. Патент 2138116 РФ, МКИ Н 03 О 7/00, 7/12, Н 01 Ь 27/095. Преобразователь частоты СВЧ диапазона/ А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). -№ 98116381/09; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 20.09.99.; Приоритет от 31.08.98., Бюл. № 26.

15. Свидетельство на полезную модель 9351 РФ, МКИ б Н 03 С 7/00. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). - № 98117279/20; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 16.02.99.; Приоритет от 31.08.98., Бюл. № 2.

16. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев А.А Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в полупроводниках полосковым барьером Шоггки // Материалы Всеросс. межвуз. конф. «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ». Саратов, 4-8 сентября 1997 г. - Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 1997. - С. 127-128.

17. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев А.А. Экспериментальное исследование влияния высоты барьера Шотгки на эффективность управления током тонкопленочной полупровод-

■ ' никовой структуры // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-98: Материалы Международ, науч.- технич. конф. Секция 1 - Электроника СВЧ. Саратов, СГТУ, 7-9 сентября 1998 г.-Саратов, 1998.-Ч. 1.-С. 90-94.

] 8. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние диффузии на фазовую скорость волн пространственного заряда в полупроводниках // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-98: Материалы Международ, науч.- технич. конф. Секция 1 - Электроника СВЧ. Саратов, СГТУ, 7-9 сентября 1998 г. - Саратов, 1998. - Ч. 1. - С. 95-98.

19. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Функциональные возможности распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах п-СаАя и п-1пР в миллиметровом диапазоне // Перспективные направления развития электронного приборостроения. Материалы науч.- технич. конф. Саратов, ФГУП НЛП «Контакт», 18-19 февраля 2003 г. -Саратов, 2003. - С. 252-256.

20. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах тЯЗаАБ в 8-мм диапазоне // Перспективные направления развития электронного приборостроения. Материалы науч.- технич. конф. Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 18-19 февраля 2003 г. - Саратов, 2003. - С. 256-259.

21. Михайлов А.И., Сергеев С А., Браташов Д.Н. Влияние параметров накачки на эффективность параметрической связи волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Перспективные направления развития электронного приборостроения. Материалы науч.- технич. конф. Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 18-19 февраля 2003 г. - Саратов, 2003. - С, 238-240.

22. Сергеев С.А., Михайлов А.И., Сергеева Б.В. Перспективы нитрида галлия для устройств на волнах пространственного заряда // Опго-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды XI международной конференции. - Ульяновск: УлГУ, 2009. - С. 26.

23. Сергеев С.А., Михайлов А.И., Сергеева Б.В. Граничная частота усиления волн пространственного заряда тонкопленочных устройств на основе п-1пР // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды XI международной конференции. - Ульяновск: УлГУ, 2009.-С. 256.

24. Сергеев С.А., Михайлов А.И., Сергеева Б.В. Влияние концентрации электронов в пленке фосфида индия и нитрида галлия на граничную частоту усиления волн пространственного

' заряда в тонкопленочньгх полупроводниковых структурах / Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Международ, науч.-технич. конф.: • Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» -СПб.: Политехника, 2009. - С. 127-128.

25. Сергеев С.А., Михайлов А.И., Сергеева Б.В. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах на основе п-1пР / Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов УШ Междупарод, науч.-технич. конф.: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» -СПб.: Политехника, 2009. - С. 132-133.

26. Численное моделирование распространения волн пространственного заряда в длинных вы-сокоомных структурах арсенида галлия / С.А Сергеев, А.И. Михайлов, А.В.Митин и др. /

Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Международ. науч.-технич. конф.: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» - СПб.: Политехника, 2009. - С. 133-134.

27. Сергеев СЛ., Михайлов Л.И., Митин A.B. Анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в высокоомных структурах арсенида галлия в рамках локально-полевой модели / Актуальные проблемы современной науки и образования. Естественные науки: Материалы Всеросс. науч. конф. с междунар. участием. Т. 1 - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010.-С. 184-189.

28. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах нитрида галлия / С.А. Сергеев, А.И. Михайлов, Д.Н. Братанюв, Б.В. Сергеева / Актуальные проблемы современной науки и образования. Естественные науки: Материалы Всеросс. науч. конф. с междунар. участием. Т. 1 - Уфа: РИЦ БашГУ, 2010.-С. 121-126.

29. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое усиление высокочастотных волн в юнкоп-леночных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тез. докл. Всеросс. науч.- технич. конф. с международ, участием.- Таганрог, 1994.- Ч. 1.- С. 87.

30. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние дисперсии отрицательной дифференциальной проводимости на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в полупроводниках // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлекгроники: Гез. докл. Всеросс. науч.- технич. конф. с международ, участием. - Таганрог, 1994,- Ч.1.- С. 88.

31. Михайлов А.И., Сергеев С.А Преобразование частоты в устройствах на волнах пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. докл. международ, науч.- технич. конф. Саратов, СГТУ, 10-12 сентября 1996 г. -Саратов, 1996. - Ч. 2. - С. 65-66.

32. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Перспективы фосфида индия для устройств на волнах пространственного заряда // Физика и технические приложения волновых процессов. Международ. науч.-технич. конф.: Тез. докл. - Самара, 2001. - Т. 2. - С. 81.

33. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев A.A. Выходной спектр преобразователя частоты на волнах пространственного заряда в n-GaAs // Физика и технические приложения волновых процессов. Междупарод, науч.-технич. конф.: Тез. докл. - Самара, 2001. - Т. 2. - С. 93.

34. Михайлов А.И., Сергеев СЛ., Горячев A.A. Численное моделирование волнового движения носителей заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Физика и технические приложения волновых процессов. Международ, науч.-технич. конфер. (10-16 сентября 2001 года): Тез. докл. - Самара, 2001. - Т. 2. - С. 103.

35. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Браташов Д.Н. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе n-InP // Физика и технические приложения волновых процессов. II Международ, науч.-технич. конф. (7-13 сентября 2003 года): Тез. докл. - Самара, 2003. - С. 367.

36. Михайлов А.И., Сергеев СЛ., Браташов Д.Н. Влияние частоты накачки на эффективность параметрической связи волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Физика и технические приложения волновых процессов. II Международ, науч.-техн. конф.: Тез. докл.- Самара, 2003, - С. 354.

37. Михайлов А.И., Сергеев СЛ., Головин Р.Ю. Анализ спектра волн пространственного заряда топкопленочной полупроводниковой структуры с отрицательной дифференциальной проводимостью в условиях параметрического взаимодействия // Физика и технические приложения волновых процессов. VI Международ, науч.-технич. конф. (17-21 сентября

2007 г.): Тез. докл. - Казань, 2007. -С. 153-154.

38. Михайлов А.И., Сергеев СЛ., Головин Р.Ю. Спектральный анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре с отрицательной дифференциальной проводимостью // Физика и технические приложения волновых процессов. VII Международ, науч.-технич. конф. (15-21 октября

2008 г.): Тез. докл. - Самара, 2008. - С. 233-234.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.

ВОЛНЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

1.1. Волновые процессы в твердых телах и их использование в электронике СВЧ и КВЧ.

1.2. Волны пространственного заряда в полупроводниках и полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью.

1.3. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в полупроводниках и полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью.

1.4. Выводы.

Глава 2.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ваАБ, п-1пР И п-ваИ.

2.1. Перспективы арсенида галлия, фосфида индия и нитрида галлия для применения их в устройствах на волнах пространственного заряда в полупроводниках.

2.2. Влияние диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов на постоянную распространения волн пространственного заряда в п-ваАз, п-1пР и п-ваМ.42.

2.3. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью.

2.4. Влияние концентрации электронов в пленке п-СаАБ, п-1пР и п-ОаЫ на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах.

2.5. Выводы.

Глава 3.

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

3.1. Теоретическое исследование параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью в одномерном случае.

3.1.1 Линейное приближение.

3.1.2 Нелинейный анализ распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в структурах п-СаАБ.

3.2. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе СаАя, п-1пР и п-СаИ.

3.2.1 Тонкопленочные полупроводниковые структуры симметричного типа

3.2.2 Тонкопленочные полупроводниковые структуры асимметричного типа.

3.2.2.1 Уравнения для амплитуд параметрически связанных волн пространственного заряда.

3.2.2.2 Анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда для тонкопленочной полупроводниковой структуры с сильной асимметрией.

3.3. Выводы.

Глава 4.

ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВ НА ЭФФЕКТЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

4.1. Разработка и конструирование функциональных устройств 8-мм диапазона на волнах пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах n-GaAs.

4.1.1 Конструирование тонкопленочной полупроводниковой структуры

4.1.2 Конструирование НЧ и СВЧ схемы.

4.1.3 Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах n-GaAs в 8-мм диапазоне.

4.2. Эффективность возбуждения волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре одиночным полосковым барьером Шотт-ки.

4.3. Фильтрация сигналов в устройствах на волнах пространственного заряда в полупроводниках.

4.4. Интегральный преобразователь частоты миллиметрового диапазона длин волн на волнах пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью.

4.4.1 Конструкция преобразователя частоты.

4.5. Выводы.

Актуальность темы

Одним из важных направлений в современной физике является исследование колебательных и волновых процессов в твердых телах. Особенно большое внимание уделяется изучению волновых процессов в активных средах. Данное направление имеет как фундаментальное, так и прикладное значение, поскольку понимание особенностей волновых процессов в этих средах дает возможность построения адекватных математических моделей для их изучения, а также открывает перспективы для создания новых и совершенствования известных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.

К основным устойчивым тенденциям современной твердотельной электроники относятся повышение рабочих частот приборов и устройств, а также стремление ко все большей миниатюризации и интеграции функций элементов в пределах одной монолитной схемы. Поэтому, в настоящее время большой интерес вызывает разработка твердотельных СВЧ устройств, содержащих активные элементы с распределенными параметрами. Это определяется современными тенденциями развития СВЧ электроники и связано с потребностью в твердотельных устройствах, способных осуществлять формирование и обработку сложных информационных сигналов. Одно из современных направлений микроэлектроники - функциональная микроэлектроника, использующая для обработки сигналов не статические, а динамические неоднородности, возбуждаемые внешними воздействиями.

Среди разделов функциональной микроэлектроники наиболее развитым в научном и техническом аспектах является акустоэлектроника. В частности, устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) применяются в различных радиоэлектронных системах обработки сигналов для решения многих радиотехнических задач. Однако, рабочие частоты устройств на ПАВ не превышают единиц гигагерц.

Устройства на волнах пространственного заряда (ВПЗ) в полупроводниках обладают широкими функциональными возможностями, которые аналогичны возможностям акустоэлектронных устройств, но превосходят их по рабочим частотам более чем на порядок.

Базовым элементом функциональных устройств на ВПЗ в полупроводниках можно считать тонкопленочный усилитель бегущей волны (ТУБВ), который конструктивно представляет собой тонкопленочную полупроводниковую структуру (ТПС) с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП), обусловленной междолинными электронными переходами. ТУБВ может выполнять в СВЧ диапазоне такие радиотехнические функции, как усиление, генерация, задержка и изменение фазы сигналов и др. Однако, созданные к настоящему времени устройства на ВПЗ имеют все же сравнительно низкий частотный предел работы 15 ГГц).

Исследованиями установлено, что верхний частотный предел усиления бегущих ВПЗ в полупроводнике с ОДП (а, следовательно, и верхний частотный предел ТУБВ) может быть увеличен, по крайней мере, двумя путями. Во-первых, применением новых материалов вместо традиционного п-ОаАя. И, во-вторых, использованием механизма параметрического взаимодействия ВПЗ при низкочастотной накачке, что наряду с увеличением верхнего частотного предела позволяет пополнить перечень возможных функций ТУБВ следующими: преобразование частоты, смешение со сдвигом частоты, фильтрация, управляемая перестройкой частоты накачки.

В настоящее время большая часть теоретических и все экспериментальные работы по распространению и взаимодействию волн пространственного заряда в ТПС с ОДП выполнены для структур на основе п-СаАя, относительно небольшое количество теоретических работ посвящено п-1пР. Данные по оценке перспектив использования п-ОаИ для создания устройств на параметрическом взаимодействии ВПЗ в литературе отсутствуют.

При разработке и конструировании функциональных устройств на ВПЗ в ТПС с ОДП для миллиметрового диапазона особое значение приобретают работы по оптимизации конструктивно-топологических и электрофизических параметров ТПС и элементов возбуждения ВПЗ, поскольку именно в этом диапазоне находится верхняя граничная частота усиления ВПЗ. Поэтому актуальной является задача построения адекватных теоретических моделей для изучения влияния различных факторов на характеристики возбуждения, распространения и взаимодействия ВПЗ в тонкопленочных структурах с ОДП.

К моменту начала работы над диссертацией данных об экспериментальных исследованиях параметрического взаимодействия ВПЗ в полупроводниковых структурах с ОДП в миллиметровом диапазоне в литературе не обнаружено.

Целью работы является выяснение особенностей спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-ОаАя, п-1пР или п-анализ влияния параметров накачки, а также диффузии и дисперсии дифференциальной подвижности электронов и размеров полупроводниковой структуры на характеристики распространения и взаимодействия волн пространственного заряда, определение конкретных подходов и рекомендаций по конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках.

Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:

1. Анализ перспектив применения п-ОаАз, п-1пР и я-бчяУУ" в устройствах на волнах пространственного заряда.

2. Рассмотрение особенностей влияния диффузии и частотной дисперсии дифференциальной подвижности электронов, а также концентрации электронов в пленке п-ОаАз, п-1пР и п-ОаИ на характеристики распространения волн пространственного заряда.

3. Всесторонний анализ влияния параметров накачки, а также размеров полупроводниковой структуры на эффективность спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах на основе п-ОаАз, п-1пР и п-СаИ.

4. Экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на основе п-СаАэ в 8-мм диапазоне. 5. Теоретическое и экспериментальное изучение эффективности преобразования электромагнитного сигнала в волну пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре и обратно.

Научная новизна. При проведении теоретических и экспериментальных исследований установлены физические закономерности, дающие новые сведения о механизме параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП.

Установлена степень влияния частоты и мощности накачки, а также частоты сигнала и конечных размеров исследуемой структуры на «изрезанность» (количество максимумов и минимумов) зависимостей коэффициентов параметрического усиления и преобразования волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала.

Впервые проведен анализ перспектив использования п-СаИ для создания устройств на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда. Показано, что применение п-СаИ позволит создавать более мощные и эффективные устройства данного типа вплоть до 4-мм диапазона, перестраиваемые частотой и амплитудой накачки.

Определены границы применимости линейного приближения для анализа распространения и параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в структурах п-СаАБ при низкочастотной накачке.

Впервые проведено экспериментальное исследование преобразования частоты при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП в 8-мм диапазоне.

Показана возможность эффективного управления спектральным преобразованием при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП изменением параметров накачки.

Проанализирована предложенная конструкция преобразователя частоты миллиметрового диапазона на параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП с выходным элементом связи в виде частотно-избирательной встречно-штыревой системы полосковых контактов с барьером Шоттки.

Практическая значимость работы. Выработаны конкретные подходы и рекомендации по разработке и конструированию функциональных устройств миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с ОДП. Построены модели, позволяющие рассчитывать геометрические размеры элементов связи, служащие для преобразования электромагнитных сигналов в ВПЗ и обратно, а также рассчитывать оптимальные параметры и характеристики полупроводниковых структур для устройств на ВПЗ для каждой из трех областей: области возбуждения ВПЗ, пролетной области и области преобразования ВПЗ в электромагнитный сигнал таким образом, чтобы на выходе устройств амплитуды всех паразитных спектральных составляющих были пренебрежимо малыми по сравнению с амплитудой полезного сигнала.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с ОДП, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы при разработке приборов и устройств в рамках НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при СГУ.

По результатам исследований получено 2 патента РФ и свидетельство на полезную модель.

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе (лекционный курс «Полупроводниковая волновая электроника» и семинарские занятия по курсу «Твердотельная электроника» для студентов ФНБМТ СГУ).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках «-типа с отрицательной дифференциальной проводимостью может заметно отличаться (до 40 % для п-ОаАя, до 10 % для п-1пР) от дрейфовой скорости электронов. Это особенно важно для полупроводниковых материалов с большим коэффициентом диффузии (более 100 см"/с) и при концентрациях электронов в полупроводниковой структуре более 5-Ю20 м"3.

2. Геометрические размеры (толщина и длина «-слоя) структур на основе «-СаАя, п-1пР или п-СаИ, а также их асимметрия являются причиной возникновения «изрезанности» (некоторого количества выраженных экстремумов) на зависимостях коэффициентов параметрического усиления и преобразования от продольной координаты, параметров накачки и частоты сигнала. Уменьшение частоты накачки и/или сигнала и увеличение амплитуды накачки приводят к увеличению числа таких экстремумов.

3. Для эффективного преобразования электромагнитных сигналов в. волны пространственного заряда в полупроводниковых структурах «-типа возможно применение одиночных металлических полосковых контактов с барьером ТТТотт-ки с малым значением контактной разности потенциалов (не более 0,2-Ю,3 В), а концентрация носителей заряда в «-слое полупроводника под входным элементом связи и ширина полоскового контакта должны быть оптимизированы для частоты слабого входного сигнала. Использование встречно-штыревого преобразователя на выходе полупроводниковой структуры на волнах пространственного заряда позволяет получить качественную фильтрацию полезного преобразованного сигнала и подавление паразитных частотных составляющих.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1994 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96» (г.

Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузововской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (г. Саратов, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98» (г. Саратов, 1998 г.); VI Международной научно-технической конференции «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» (г. Самара, 1999 г.); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Саратов, 2003 г.); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2003 г.); VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 r.);VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.); XI международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Дагестан, 2009 г.); VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы современной науки и образования» (г. Сибай, 2010 г.); II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010 г.), Научных семинарах кафедры физики полупроводников СГУ.

Результаты, вошедшие в диссертацию, были отмечены дипломом, как лучшая работа секции «Математические методы в технических и инженерных приложениях» II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века».

Публикации. Материалы диссертации изложены в 38 печатных работах, в их числе 11 статей в реферируемых журналах (7 статей списка ВАК), 2 патента РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 14 статей в сборниках, 1 учебное пособие.

Личный вклад соискателя состоит в разработке математических моделей и программ для исследования возбуждения, распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ в структурах на основе п-ОаАз, п-1пР и я-СУяТУ, проведении экспериментальных исследований, анализе и обработке результатов. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 177 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, 3 таблицы, в списке литературы 226 наименований.

4.5 Выводы

1. Теоретически и экспериментально показано, что для эффективного возбуждения ВПЗ в ТПС с ОДП целесообразно применять одиночные барьеры Шоттки со значением контактной разности потенциалов ср0 = 0,2-0,3 В. Ширина входного элемента связи и концентрация электронов под ним должны быть подобраны таким образом, чтобы оптимизировать возбуждение ВПЗ сигнальной частоты.

2. Для сочленения с измерительными приборами в тракте сигнала (8-мм диапазон) были разработаны новые волноводно-копланарные переходы, обладающие малыми потерями.

3. Разработана и изготовлена ТПС на основе п-ОаАя. Экспериментально показано, что механизм параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС на основе п-СаАв при низкочастотной накачке может использоваться для эффективного преобразования частоты в 8-мм диапазоне.

4. Для эффективного преобразования ВПЗ полезного сигнала в СВЧ сигнал и подавления паразитных составляющих необходимо применять в качестве выходного элемента связи встречно-штыревую систему контактов с барьером Шоттки. Для лучшей связи ВПЗ с СВЧ сигналом необходимо применять полос-ковые контакты с барьером Шоттки со значением контактной разности потенциалов ф0 = 0,8-0,9 В и шириной, равной четверти длины ВПЗ полезного сигнала, а концентрация носителей заряда под выходным элементом связи должна

Т 1 быть порядка (4 6)-10 м* . При расчете собственной частоты ВШП необходимо учитывать, что фазовая скорость ВПЗ может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов.

5. Проанализирована конструкция преобразователя частоты 8-мм диапазона, использующего эффект параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-СаАБ. Показано, что подбором числа штырей и шага встречно-штыревого преобразователя, ширины полосковых контактов с БШ и концентрации электронов под выходным элементом связи можно эффективно менять АЧХ всего устройства в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе получены следующие основные результаты:

1. Показано, что при расчете характеристик распространения волн пространственного заряда принципиален учет диффузии и дисперсии действительной части дифференциальной подвижности электронов.

2. Оптимальное значение концентрации легирующей примеси щ при разработке наиболее высокочастотных устройств на волнах пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе п-1пР составляет величину порядка (1+2)-1016 см"3, для n-GaAs п0 ~ (1+2)-1015 см"3, а для n-GaNn0 ~ (5+6)-1016 см"3.

3. Теоретически и экспериментально показано, что для эффективного возбуждения волн пространственного заряда с частотами накачки и сигнала необходимо использовать одиночные полосковые БШ с малым значением контактной разности потенциала (0,2+0,3 В), а концентрация носителей заряда под входным элементом связи и ширина полоскового контакта должны быть оптимизированы для частоты слабого входного сигнала.

4. Фазовая скорость волн пространственного заряда vpft может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов v0. Различие vph и v0 возрастает с ростом концентрации электронов п0 и при увеличении коэффициента диффузии D. Для n-GaAs для частот, меньших граничной частоты усиливаемых волн пространственного заряда, это различие может достигать 30+40 %, для п-1пР -6+10%.

5. Численный эксперимент, проведенный с использованием локально-полевой модели, позволил установить пределы применимости линейного приближения для анализа характеристик распространения волн пространственного заряда в п-GaAs: линейным приближением можно пользоваться, если мгновенные значения напряженности электрического поля находятся в интервале от 3,3 кВ/см и до 8 кВ/см. При выходе за границы этого интервала амплитуды гармонических составляющих превышают 10 % от амплитуды основной гармоники.

6. Максимальное увеличение верхнего частотного предела усиливаемых волн пространственного заряда в структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью при параметрическом взаимодействии в условиях низкочастотной накачки наблюдается при равенстве частоты накачки и граничной частоты усиливаемых волн пространственного заряда (поскольку в этом случае можно использовать максимальную мощность накачки) и составляет для n-GaAs примерно 27 % (до 40 ГГц), для п~1пР — примерно 32 % (до 106 ГГц) и для n-GaN — примерно 13 % (до 56 ГГц).

7. Амплитуда волн пространственного заряда холостой частоты на конце участка параметрического взаимодействия может достигать величин того же порядка, что и амплитуда сигнальной волны пространственного заряда, при этом может быть получено автодинное преобразование при частоте входного сигнала для n-GaAs примерно до 48 ГГц, п-1пР - до 108 ГГц, n-GaN - до 61 ГГц. Таким образом, параметрический механизм взаимодействия волн пространственного заряда в структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью может быть основой создания активных смесителей- коротковолновой части СВЧ диапазона (в частности — смесителей сдвига).

8. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью в условиях низкочастотной накачки обеспечивает эффективное спектральное преобразование в миллиметровом диапазоне, которое может управляться изменением параметров накачки. Меняя частоту или амплитуду накачки на входе можно значительно (до 40-^-50 дБ) изменять коэффициенты параметрического усиления и преобразования.

9. Учет конечных размеров тонкопленочной полупроводниковой структуры -толщины и длины пленки и, что наиболее существенно, асимметрии структуры приводят к тому, что зависимости коэффициентов усиления и преобразования от продольной координаты, амплитуды и частоты накачки имеют изрезанный характер.

10. Разработаны топология схемы питания и схемы подвода СВЧ сигналов к тонкопленочной полупроводниковой структуре на базе копланарных линий. В тракте накачки применялись переходы от копланарной линии к коаксиальной, а в тракте сигнала - разработанные в процессе выполнения данной работы волноводно-копланарные переходы.

11. Создан действующий макет преобразователя частоты 8-мм диапазона на эффекте параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочной полупроводниковой структуре на n-GaAs в условиях низкочастотной накачки.

12. Экспериментальные исследования параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочной структуре на n-GaAs в условиях низкочастотной накачки показали, что данный механизм может использоваться для эффективного преобразования частоты в 8-мм диапазоне.

13. Использование на выходе устройств на волнах пространственного заряда встречно-штыревого преобразователя позволяет получить эффективную фильтрацию полезного преобразованного сигнала и подавление паразитных составляющих. Концентрация носителей заряда под выходным элементом связи долж

21 3 на быть порядка (4-г6)-10 м" . При выборе периода встречно-штыревого преобразователя необходимо учитывать, что фазовая скорость волн пространственного заряда сигнальной и холостой частот может заметно отличаться от дрейфовой скорости электронов.

14. Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе (лекционный курс «Полупроводниковая волновая электроника» и семинарские занятия по курсу «Твердотельная электроника» для студентов ФНБМТ СГУ) [226]. Разработанные модели и программы применяются в процессе обучения студентов при рассмотрении волновых процессов в полупроводниках, а также при изучении основ математического моделирования в твердотельной электронике.

15. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в ТПС с ОДП, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы при разработке приборов и устройств в рамках нескольких НИР, выполнявшихся в НИИ механики и физики при Саратовском государственном университете [180,181].

1. Вендик О.Г. Поиск новых физических явлений в твердом теле для использования в электронике СВЧ // Радиоэлектроника. 1980. - Т. 23, № 10. - С. 4-11.

2. Гуревич А.Г. Спиновые волны // СОЖ. 1997. -№ 9. - С. 100-108.

3. Crowth of high quality Garnet thin films from supercooled melts / H.I. Levinstein, S. Licht, R. W. Londorf etc. II Appl. Phys. Lett. 1971. - Vol. 19, № 11. - P. 486-492.

4. Перспективы интегральной электроники СВЧ / A.A. Барыбин, И.Б. Вендик, О.Г. Вендик и др. II Микроэлектроника. 1979. - Т. 8, Вып. 1. - С. 3-19.

5. Гуляев Ю.В., Зиберман U.E. Взаимодействие спиновых волн с горячими носителями тока//ФТТ.- 1978.-Т. 20, №4.-С. 1129-1134.

6. Гуляев Ю.В., Знльберман U.E. Спиноволновая электроника. М.: Знание, 1988. -64 с.

7. Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // УФН. 2008. -Т. 178, № 12.-С. 1336-1348.

8. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. -407 с.

9. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Под ред. О.Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979.-272 с.

10. Сигов A.C. Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике // СОЖ. -1996.-№ 10.-С. 83-91.

11. Балоднс Ю.Н., Лутовинов С.И. Устройства функциональной электроники. Ч. 1. Акустоэлектронные устройства. JL: ЛИЭС, 1988. - 63 с.

12. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах / C.B. Бирюков, Ю.В. Гуляев, В.В. Крылов, В.П. Плесский-М.: Наука, 1991.-416 с.

13. О возможности создания акустоэлектронного усилителя на основе эпитаксиаль-ной структуры п-п+ из GaAs / Ю.В. Гуляев, С.И. Иванов, ИМ. Котелянский, Г.Д. Мансфельд II Радиотехника и электроника. 1977. - Т. 22, № 4. - С. 810-814.

14. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.: Сов. радио, 1980. -264 с.

15. Хорунжий В.А., Долбня Е.В., Богатое П.Н. Акустоэлектроника. Киев.: Техника, 1984.- 152 с.

16. Семенов Э.А., Посадский В.Н. Развитие СВЧ-техники объемных и поверхностных акустических волн // Радиотехника. 1999. - № 4. - С. 81-85.

17. Возбуждение и усиление поверхностных звуковых волн в структуре пьезоэлектрическая пленка полупроводники / Ю.В. Гуляев, A.M. Клшта, И.М. Котелянский и др. //ФТП,- 1971.-Т. 5, № 1. — С. 80-84.

18. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника (исторический обзор) // УФН. 2005. - Т. 175, №8.-С. 887-895.

19. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот / С.Г. Алексеев, Ю.В. Гуляев, И.М. Котелянский, Г.Д. Мансфельд II УФН. 2005. - Т. 175, № 8.-С. 895-900.

20. Барыбин A.A. Волны в тонкопленочных полупроводниковых структурах с горячими электронами. М.: Наука, 1986. - 288 с.

21. Левингшпейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975.-288 с.

22. Шур М.С. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. М.: Мир, 1991.-632 с.

23. Прохоров Э.Д., Белег{кгш Н.И. Полупроводниковые материалы для приборов с междолинным переносом электронов. Харьков: Вища школа, 1982. - 144 с.

24. Кэррол Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах / Пер. с англ. М.Е. Левин-штейна, М.С. Шура; Под ред. Б.Л. Гельмонта. М.: Мир, 1972. - 382 с.

25. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М.: Наука, 1977.-368 с.

26. Travelling-wave amplifier using epitaxial GaAs layer / R.H. Dean, A.B. Dreeben, J.F. Kaminski, A. Triano И Electron. Lett. 1970. - Vol. 6, № 24. - P. 775-776.

27. Дин P., Матарезе P. Новый тип СВЧ-транзистора усилитель бегущей волны на n-GaAs // ТИИЭР. - 1972. - Т. 60, № 12. - С. 23-43.

28. Барыбин A.A., Пригоровский В.М. Волны в тонких слоях полупроводников с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Физика. 1981. - Т. 24, вып. 8.-С. 28-41.

29. Rees H.D. Hot electron effects at microwave frequencies in GaAs // Solid State Com. 1969. - Vol. 7, № 2. - P. 267-269.

30. Белоусов Н.П., Мартыненко Е.И., Чайка B.E. О верхнем частотном пределе эффекта Ганна в n-GaAs в режиме малого сигнала // Радиотехника и электроника. 1982. -Т. 27, вып. 1.-С. 186-187.

31. Белоусов Н.П., Чайка В.Е. Частотная зависимость отрицательной проводимости InP в режиме малого сигнала // Укр. физ. журн. 1984. - Т. 29, вып. 4. - С. 627-628.

32. Стариков Е., Шикторов П. Исследование спектра дифференциальной подвижности методом Монте-Карло // Лит. физ. сб. 1992 - Т. 32, № 4. - С. 471-519.

33. Monte Carlo Calculation of High Frequency Mobility and Diffusion Noise in Nitride-Based Semiconductors / E. Starikov, P. Shiktorov, V. Gruzinskis etc. II Acta Physica Polonica A. 2005. - Vol. 107, № 2. - P. 408-411.

34. Красильник З.Ф., Реутов В.П. К нелинейной теории усиления волн пространственного заряда в тонких пленках n-GaAs. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1976. - Т. 19, №7.-С. 1067-1073.

35. Kino G.S. Carrier waves in semiconductors I: Zero temperature theory// IEEE Trans., Electron. Dev. 1970. - Vol. 17, Issue 3. - P. 178-192.

36. Heinle W. Inclusion of diffusion in the space-charge theory of Kino and Robson // Electron. Lett. 1971. - Vol. 7, Issue 10. - P. 245-246.

37. Исследование возбуждения волн пространственного заряда в тонких пленках полупроводников многоэлементными системами электродов / Г.Л. Гуревич, М.А. Катаев, A.JJ. Коган, Е.И. Рыжова И Радиотехника и электроника. 1988. - № 6. - С. 1272-1278.

38. Амплитудно-частотные характеристики приборов на волнах пространственного заряда с переменным сечением проводящего канала / М.А. Китаев, А.Л. Коган, M.JJ. Пиковская, Е.И. Рыжова II Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. -Вып. 2.-С. 14-18.

39. Китаев М.А., Коган А.Л., Рыжова Е.И. Статические электрические поля в приборах обработки СВЧ сигнала на основе волн пространственного заряда // Радиотехника и электроника. 1986. - Т. 31, вып. 8. - С. 1635-1644.

40. Китаев М.А., Коган А.Л., Рыжова Е.И. Влияние неоднородностей на распределение статического поля в пленках арсенида галлия с горячими электронами // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1987. - вып. 6 (400). - С. 34-39.

41. Козейкин Б.В., Рылов A.M., Высоцкий С.А. Влияние поверхностного потенциалана характеристики полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1991. - Вып. 2 (436). -С. 16-18.

42. Гуревич Г.Л., Коган A.JJ. Шумовые характеристики устройств обработки СВЧ-сигнала, использующих волны пространственного заряда в тонких полупроводниковых пленках // Радиотехника и электроника. 1983. - Т. 28, № 6. - С. 1169-1175.

43. Загщев В.В., Тяпухин П.В. Влияние рассогласования нагрузки на коэффициент усиления нелинейного усилителя бегущей волны // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1986. - Вып. 3 (387). - С. 43-46.

44. Гуревич Г.Л., Коган А.Л. Об использовании двумерных эффектов при распространении волн пространственного заряда в тонких полупроводниковых пленках для обработки СВЧ-сигналов // Радиотехника и электроника. 1981. - Т. 29, № 8. - С. 1765-1772.

45. Non-linear interaction of space charge waves in GaAs semiconductor / V. V. Grimal-sky, J. Escobedo-A., M. Tecpoyotl-T., S.V. Koshevaya II Microelectronics, 2002. MIEL 2002. 23rd International Conference on. Vol. 1. - P. 327-330.

46. Nonlinear effects of space charge waves in GaAs semiconductors under a 2d modeling / J. Escobedo-A., V. V. Grimalsky, M. Tecpoyotl-T., S. V. Koshevaya II Procc. Of 8th International Workshop IBERCHIP, Guadalajara, México, 3-5 April 2002. P. 31-33.

47. Amplification of Acoustic-electromagnetic Waves in GaN Films / A. Garca-B., V. Grimalsky, A. Silva etc. II PIERS Proceedings, August 27-30, Prague, Czech Republic. -2007.-P. 310-313.

48. Amplification of space charge waves of short wave part of millimeter wave range in n-GaN films / V. Grimalsky, S. Koshevaya, F. Diaz-A., J. Escobedo-A. II Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium, MRRS 2008. 22-24 Sept. 2008. P. 98-101.

49. Excitation of Hypersound Due to Coupling with Space Charge Waves in GaN films / V. V. Grimalsky, S. V. Koshevaya, L.M. Gaggero-S., F. Diaz-A. II Progress In Electromagnetics Research Symposium 2007, Beijing, China, March 26-30. P. 244-247.

50. Resonant excitation of microwave acoustic modes in n-GaAs / V. Grimalsky, E. Gntierrez-D., A. Garcia-B., S. Koshevaya II Microel. J. 2006. - Vol. 37, №. 3. - P. 395403.

51. Amplification of Space Charge Waves of Millimeter Wave Range in Transversely Nonuniform n-GaN Films / V. Grimalsky, S. Koshevaya, M. Tecpoyotl-T., J. Escobedo-A. II PIERS Proceeding, Moscow, Russia, August 18-21, 2009. -P. 1190-1194.

52. Кайно В., Робсон П. Ганновские приборы уменьшенных поперечных размеров // ТИИЭР. 1968. - Т. 56, № 11. - С. 231-232.

53. Кумабе К, Кояма Д. Двумерный анализ волн пространственного заряда в усилителе бегущей волны на кристалле арсенида галлия // Дэнси цусин гаккай ромбунси. -1974.-Т. 57, №6.-С. 179-186.

54. Тралле И.Е. Усиление плазменных колебаний в многослойных структурах с периодическими управляющими электродами // Доклады Академии наук БССР. 1991. -Т. 35, №2.-С. 132-136.

55. Tralle I.E., Filonov А.В. Space charge wave amplification in a multi-electrode mis microstructure and in a two-dimensional electron gas // J. Phus. D: Appl. Phys. 1994. - Vol. 27.-P. 1707-1712.

56. Tralle I.E., Filonov A.B. Amplification of a Space-Charge Wave in a Two

57. Dimensional Electron Gas in a Strong Electric Field // Phus. Stat. Sol. (b) 1994. - Vol. 182. -P. 165-170.

58. Tralle I.E., Filonov A.B. Beam Instability and Space-Charge Wave Amplification in a Semiconductor Plasma // Phus. Stat. Sol. (b)- 1994,-Vol. 182. P. 171-176.

59. Tralle I.E., Filonov A.B. Beam Instability and Space-Charge Wave Amplification Caused by Electron Injection out of QW into 2DEG 11 Phus. Stat. Sol. (b) 1996. - Vol. 85. - P. 85-94.

60. Елепьски А., Тралле И.Е., Сизюк B.A. Моделирование методом Монте-Карло усилителя бегущей волны на арсениде галлия с барьером Шоттки // Инженерно-физический журнал. 1998. - Т. 71, № 5. - С. 891-898.

61. Numerical simulations of propagation of SCWs in strained Si/SiGe heterostructures at 4.2 and 11 К I A. Garcia-B., V. Grimalsky, A.E. Gutierrez-D. //-J. Comput. Electron. 2007. -Vol. 6.-P. 137-140.

62. Space-charge waves in silicon carbide / M.P. Petrov, V. V. Biyksin, A.A. Lebedev etc. II J. Appl. Phys. 2005. - Vol. 98, Issue 8. - P. 083706.1-083706.5.

63. Михайлов А.И. Влияние частотной дисперсии отрицательной дифференциальной подвижности электронов на усиление волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах арсенида галлия и фосфида индия // Письма в ЖТФ. 1995. - Т. 21, вып. 21.-С. 89-95.

64. Gulayev Yu. V., Zilberman Р.Е. On the theory of parametric amplification of ultrasonic waves in semiconductor // Phys. Lett. 1969. - Vol. 30A, № 7. - P. 378-379.

65. Левин B.M., Пустовойт В.И. О-нелинейном взаимодействии квазиколлинеарных акустических волн в пьезополупроводниках // ФТТ. 1976. - Т. 18, вып. 10. - С. 30233027.

66. Konno Н. Nonlinear Theory of Surface Acoustic Wave Parametric Oscillation // J. Phys. Soc. Jpn. 1990. - Vol. 59. - P. 3989-4003.

67. Кейс B.H. Параметрическое усиление электромагнитных волн в среде с кубичной нелинейностью // Изв. ЛЭТИ. 1975. - Вып. 161. - С. 12-15.

68. Параметрическое и нелинейное взаимодействие электромагнитных волн в пара-электриках / Л.Г. Гассанов, С.В. Кошевая, Т.Н. Нарытник, М.Ю. Омельяненко // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1978. - Т. 21, № 10. - С. 56-63.

69. Попков А. Ф., Фетисов Ю.К., Островский Н.В. Параметрическое взаимодействие объемных магнитостатических волн в пленке феррита с пространственно-временной модуляцией магнитного поля // ЖТФ. 1998. - Т. 68, вып. 5. - С. 105-112.

70. Parametric Interaction of Dipolar Spin Wave Solitons with Localized Electromagnetic Pumping I A. V. Bagada, G.A. Melkov, A.A. Serga, A.N. Slavin И Phys. Rev. Lett. 1997. -Vol. 79.-P. 2137-2140.

71. Parametric interaction of magnetostatic waves with a nonstationary local pump / G.A. Melkov, A.A. Serga, A.N. Slavin etc. II J. of Experim. and Theoret. Phys. 1999. - Vol. 89, №6.-P. 1189-1199.

72. Лобанов В.E., Сухорукое А.П. Изменение скорости и частоты оптического согнала при каскадном параметрическом взаимодействии с мощным опорным импульсом // Известия РАН. Серия физическая. 2009. - Т. 73, № 12. - С. 1680-1682.

73. Сухорукое А.П. Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. -М.: Наука, 1988.-232 с.

74. Скотт Э. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике: Пер. с англ. / Под ред. JI.A. Островского, М.И. Рабиновича. М.: Сов. радио, 1977. -368 с.

75. Филлипс О.М. Взаимодействие волн // Нелинейные волны / Под ред. С. Лейбо-вича и А. Сибасса; Пер. с англ. под ред. A.B. Гапонова и Л.А. Островского. М.: Мир, 1977.-Гл. 7.-С. 197-220.

76. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн: Уч. пособие. -М.: Наука, 1984.-432 с.

77. Нелинейные волны. Динамика и эволюция: Сб. научн. тр. / Под ред. A.B. Гапо-нова-Грехова и М.И. Рабиновича. -М.: Наука, 1989. 400 с.

78. Габов СЛ. Введение в теорию нелинейных волн. М.: Изд-во МГУ, 1988. - 176 с.

79. Ланда П.С. Нелинейные колебания и волны. М.: Физматлит, 1997. - 495 с.

80. Kaif Л.И., Сафонов A.A. Взаимодействие электромагнитных колебаний сверхвысоких частот с плазмой носителей заряда в полупроводнике: В 2-х частях. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. Ч. 1. - 140 е.; Ч. 2. - 134 с.

81. Нелинейные электромагнитные волны: Пер. с англ. / Под ред. П. Усленги. М.: Мир, 1983.-312 с.

82. Комиссарова М.В, Сухорукое А.П., Терешков В.А. О параметрическом усилении бегущих волн с кратными частотами // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. - Т. 61, № 12. - С. 2298-2302.

83. Сухорукое A.A. К теории параметрически связанных солитонов с учетом дисперсии высших порядков // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. - Т. 61, № 12. - С. 2348-2352.

84. Поляков С.В., Сухорукое А.П. Медленные и неподвижные параметрические со-литоны в периодически неоднородных средах // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. - Т. 61, № 12.-С. 2353-2358.

85. Иванченко В.А., Клгшов Б.Н., Михайлов А.И. Усиление высокочастотных волн в полупроводниках с ОДП // ФТП. 1978. - Т. 12, вып. 3. - С. 601-603.

86. Иванченко В.А., Климов Б.Н., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие высокочастотных волн в n-GaAs. // ФТП. 1979. - Т. 13, вып. 6. - С. 1172-1174.

87. Игнатьев Ю.М., Михайлов А.И. Параметрическое усиление волн пространственного заряда в полупроводнике с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1990. - Т. 33, № 10. - С. 76-78.

88. Гуревич Г.Л., Коган А.Л. Нелинейные эффекты в усилительных диодах Ганна // ФТП, 1978.-Т. 12, вып. 8.-С. 1518-1523.

89. Гуревич Г.Л., Коган А.Л., Коробков Г.М. Характеристики распределенного смесителя СВЧ диапазона, использующего волны пространственного заряда в тонких полупроводниковых пленках // Радиотехника и электроника. - 1984. - Т. 29, № 2. - С. 333-340.

90. Гуревич Г.Л., Коробков Г.М. Трёхчастотное взаимодействие пучков волн пространственного заряда в полупроводниковой плёнке с дрейфом электронов // Радиотехника и электроника. 1986. - Т. 31, № 2. - С. 337-342.

91. Superheterodyne amplification of sub-millimeter electromagnetic waves in an n-GaAs film / S. Koshevaya, V. Grimalsky, J. Escobedo~A., M. Tecpoyotl-T. II Microelectron. J. -2003. Vol. 34, Issue 4. - P. 231-235.

92. Барыбгт A.A., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // ЖТФ. 2000. -Т. 70, вып. 2. - С. 48-52.

93. Барыбгт A.A., Михайлов А.И., Клецов A.A. Коэффициенты связи волн пространственного заряда при их параметрическом взаимодействии в тонкопленочных структурах арсенида галлия // Электродинам, и техн. СВЧ и КВЧ. 1999. - Т. 7, № 2. - С. 88.

94. Барыбин A.A., Михайлов А.И. Анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах асимметричного типа на основе арсенида галлия п-типа // ЖТФ. 2003. - Т. 73, вып. 6. - С. 103-109.

95. Михайлов А.И. Экспериментальное исследование параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе арсенида галлия // Письма в ЖТФ. 2000. - Т. 26, вып. 5. - С. 80-85.

96. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - Вып. 4. -С. 75-76.

97. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Влияние концентрации электронов в пленке арсенида галлия на граничную частоту усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25, вып. 4. -С.85-90.

98. Сергеев С.А., Михайлов А.И, Сергеева Б.В. Перспективы нитрида галлия дляустройств на волнах пространственного заряда // Опто-, наноэлектроника, нанотехно-логии и микросистемы: Труды XI международной конференции. Ульяновск: УлГУ, 2009.-С. 26.

99. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Граничная частота усиления волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP и n-GaN // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2010. Т. 13, № 1. - С. 33-37.

100. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Фазовая скорость волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP и n-GaN // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - Вып. 16. - С. 3839.

101. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов / Пер. с англ. -М.: Мир, 1967.-478 с.

102. Monte Carlo calculation of electron initiated impact ionization in bulk zinc-blende and wurtzite GaN / J. Kolnik, I.H. Ogusman, KF. Brennan etc. II J. Appl. Phys. 1997. - Vol. 81, №2.-P. 726-733.

103. Adachi S. Properties of Alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors. New York: John Wiley &Sons. - 2009. - 400 p.

104. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, НА. Бабушкина, A.M. Брат-ковский и др. / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

105. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В2-х кн. Кн. 2: Пер. с англ. 2-е пе-рераб. и доп. изд. -М.: Мир, 1984.-456 с.

106. Vurgaftman /., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys//J. Appl. Phys. 2001. - Vol. 89, № 11.-P. 5815-5875.

107. Indium Phosphide millimeter-wave devices and components / B. Fank, J. Crowley, P.

108. Wolfert etc. II International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1984. - Vol. 5, № 6. -P. 859-867.

109. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. - 376 с.

110. Monte Carlo simulation of InP and GaAs MESFETS / G.M. Dunn, A.B. Walker, J.H. Jefferson etc. II Semicond. Sci. Technol. 1994. - Vol. 9. - P. 2123-2129.

111. Takahashi K., Yoshikawa A., Sandhu A. Wide Bandgap Semiconductors. Fundamental Properties and Modern. Photonic and Electronic Devices. Berlin: Springer, 2007. - 460 p.

112. Ren F., Zolper J.C. Wide energy bandgap electronic devises. Singapore: World Scientific Publishing, 2003. - 514 p.

113. Левинштейн M.E. Новые результаты в исследовании междолинного перехода горячих электронов // ФТП. 1979. - Т. 13, вып. 7. - С. 1249-1267.

114. Вгеппап К., Hess К. High field transport in GaAs, InP and InAs // Sol. St. Electron. -1984. Vol. 27, № 4. - P. 347-357.

115. Pozela J., Reklaitis A. Electron transport properties in GaAs at higt electric fields // Sol. St. Electron. 1980. - Vol. 23. - P. 927-933.

116. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. М.: Наука, 1972. - 268 с.

117. Moloney T.J., Frey J. Transient and steady-state electron transport properties of GaAs and InP // J. Appl. Phys. 1977. - Vol. 48, № 2. - P. 781-787.

118. Kundrotas J., Dargys A., Cesna A. Shallow donor impact ionization in n-InP and n-GaAs: influence of doping and compensation // Semicond. Sci. Technol. 1996. - Vol. 11.-P. 692-696.

119. Butcher P.N., Fawcett W. The intervalley transfer mechanism of negative resistivity in bulk semiconductors//Proc. Phys. Soc. 1965.-Vol. 86, № 12.-P. 1205-1219.

120. Adachi S. Physical properties of III-V semiconductor compounds: InP, InAs, GaAs, GaP, InGaAs, and InGaAsP. New York: John Wiley &Sons. - 1992. - 318 p.

121. Alekseev E., Pavlidis D. Large-signal microwave performance of GaN-based NDR diode oscillators // Sol. St. Electron. 2000. - № 44. - P. 941-947.

122. Диффузия горячих электронов / В. Барейкис, А. Матуленис, Ю. Пожела и др. / Под ред. Ю. Пожелы. Вильнюс: Моклас, 1981. -212 с.

123. Wandinger L. Mm-wave InP Gunn Devices: status and trends // Microwave J. 1981. -Vol. 24, №3.-P. 71, 75-78.

124. Aishima A., Yokoo K., Ono S. Monte Carlo Calculation of Diffusion Coefficient in n-Type GaAs // Jap. J. Appl. Phys. 1978. - Vol. 17. - P. 959-960.

125. Транзисторы на GaN пока самый «крепкий орешек» / В. Данилин, Т. Жукова, Ю. Кузнецов и dp. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. - № 4. - С. 20-29.

126. Бородовский П.А., Осадчгш В.М. Междолинный перенос электронов в полупроводниках А3В5. Новосибирск: СО АН СССР, 1987. - 171 с.

127. Eisele Н. InP Gunn devices for 400-425 Ghz // Electron. Lett. 2006. - Vol. 42, № 6. -P. 358-359.

128. Eisele H. 355-Ghz oscillator with GaAs TUNNETT diode // Electron. Lett. 2005. -Vol. 41, №6.-P. 329-331.

129. Scavennec A. Trends in indium phosphide microelektronics // J. de Phys. Colloque С 4.- 1988.-Т. 49.-P. 115-123.

130. Fawcett W., Herbert D.C. High-field transport in gallium arsenide and indium phosphide//J. Phys. С: Sol. St. Phys. 1974.-Vol. 7.-P. 1641-1654.

131. Electron transport in InP under high I electric field conditions / T. Gonzaiez Sanchez, J. E. Velazquez Perez, P. M. Gutierrez Conde II Semicond. Sci. Technol. 1992. - Vol. 7.1. P. 31-36.

132. Hilsum С., Rees H. Three-level oscillator. A new of transferred electron device // Electron. Lett. 1970. - Vol. 6, № 9. - P. 277-278.

133. Fawcett W., Hill G. Temperature dependence of the velocity/field characteristic of electrons in InP // Electron. Lett. 1975. - Vol. 11, № 4. - P. 80-81.

134. Tebbenham R.L., Walsh D. Velocity/field characteristic of n-type indium phosphide at 110 and 330 К // Electron. Lett. 1975. - Vol. 11, № 5. - P. 96-97.

135. Herbert D.C., Fawcett W., Hilsum C. High-field transport in indium phosphide // J. Phys. Chem. 1976. - № 11. - P. 3969-3975.

136. Ruterana P., Albrecht M., Neugebauer J. Nitride Semiconductors. Handbook on Materials and Devices. Weinheim: WILEY-VCH, 2003. - 664 p.

137. Акчурин P.X., Мармалюк A.A. Нитрид галлия — перспективный материал электронной техники. Ч. 1. Фундаментальные свойства нитрида галлия // Материаловедение. 1999. - № 9. - С. 41-47.

138. Levinshtein М.Е., Rumyantsev S.L., Shur M.S. Properties of advanced semiconductors materials: GaN, A1N, InN, BN, and SiGe. New York: John Wiley and Sons, -2001.- 194 P

139. Berrah S., Abid H., Boukortt A. The first principle calculation of electronic and optical properties of A1N, GaN and.InN compounds under hydrostatic pressure // Semicond. Phys., Quantum Electronics & Optoelectronics, 2006. - Vol. 9, № 2. - P. 12-16.

140. Takafitmi Y., Soon-Ku H. Oxide and Nitride Semiconductors. Processing, Properties, and Applications. Berlin: Springer, 2009. - 517 p.

141. Cao J.C., Lei X.L. Nonparabolic multivalley balance-equation approach to impact ionisacion: Application to wurtzite GaN // Eur. Phys. J. B. 1999: - Vol. 7. - P. 79-83.

142. Transient electron transport in wurtzite GaN, InN, and A1N / B.E. Foutz, S.K. О 'Leaiy, M.S. Shur, L.F. Eastman II J. Appl. Phys. 1999. - Vol. 85, № 11. - P. 7727-7734.

143. Bhapcar U.V., Shur M.S. Monte Carlo calculation of velocity-field characteristics of wurtzite GaN // J. Appl. Phys. 1997. - Vol. 82, № 4. - P. 1649-1655.

144. Suzuki M., Uenoyama Т., Yanase A. First-principles calculations of effective-mass parameters of A1N and GaN // Phys. Rev. B. 1995. - Vol. 52, № 11. - P. 8132-8139.

145. Brazis R., Raguotis R. Monte Carlo modeling of phonon-assisted carrier transport in cubic and hexagonal gallium nitride // Optical and Quantum Electronics. 2006. - Vol. 38. -P. 339-347.

146. Electron transport characteristics of GaN for high temperature device modeling / J.D. Albrecht, R.P. Wang, P.P. Rudena etc. / J. Appl. Phys. 1998. - Vol. 83, № 9. - P. 47774781.

147. Bhapkar U.V., Shur M.S. Monte Carlo calculation of velocity-field characteristics of wurtzite GaN//J. Appl. Phys. 1997.-Vol. 82, №4.-P. 1649-1655.

148. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the Ill-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binaries and Ternaries / M. Farahmand, C. Garetto, E. Bellotti etc. II IEEE Trans., El. Dev. -2001. Vol. 48, № 3. - P. 535-542.

149. Monte Carlo calculations of hot-electron transport and diffusion noise in GaN and InN / E. Starikov, P. Shiktorov, V. Gruzinskis etc. // Semicond. Sci. Technol. 2005. - Vol. 20. -P. 279-285.

150. Михайлов А.И., Мишин А.В. Система уравнений локально-полевой модели динамики зарядов и тока в длинных высокоомных образцах n-GaAs // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. - Вып. 13. - С. 74-78.

151. Барыбин А.А., Куз В.Г. Усиление волн носителей в тонких пленках n-GaAs с учетом слоистости внешней среды // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1977. - Т. 20, № 10.-С. 80-83.

152. Арсенид галлия в микроэлектронике: Пер. с англ. / Под ред. Н. Айнспрука, У. Уиссмена. М.: Мир, 1988. - 555 с.

153. Vilms J., Garrett J.P. The growth and properties of LPE GaAs // Sol. St. Electron. -1972. Vol. 15, № 4. - P. 443-452.

154. Копии Н.Г., Меркурисов Д.И., Соповьев С.П. Электрофизические свойства ядерно-легированного InP // ФТП. 2000. - Т. 34, вып. 2.-С. 157-161.

155. Копии Н.Г., Меркурисов Д.И., Соловьев С.П. Электрофизические свойства InP, облученного быстрыми нейтронами реактора // ФТП. 2000. - Т. 34, вып. 2. - С. 153156.

156. Бойко В.М., Бублик В.Т., Воронова М.И. Влияние облучения реакторными нейтронами и температуры на структуру монокристаллов InP // ФТП. 2006. - Т. 40, вып. 6.-С. 641-649.

157. Masselink W.T., Kuech T.F. Velocity-Field Characteristics of Electrons in Doped GaAs //J. El. Materials. 1989. - Vol. 18, № 5. - P. 579-584.

158. Kliefoth K., Petzel B. Velocity-Field Characteristics of GaAs Gunn Diodes with Different Impurity Concentration // Phys. Stat. Solidi. (a). 1977. - Vol. 42, № 2. - P. K133-K135.

159. Masselink W.T. Electron velocity in GaAs: bulk and selectively doped heterostructures // Semicond. Sci. Technol. 1989. - Vol. 4. - P. 503-512.

160. Nielsen L.D. Microwave measurement of electron drift velocity in indium phosphide for electric fields up to 50 kV/cm // Phys. Lett. 1972. - Vol. 38A, № 4. - P. 221-222.

161. Lam H., Acket G.A. Comparison of the microwave velocity-field characteristics of n-type InP and n-type GaAs // Electron. Lett. 1971. - Vol. 7, № 24. - P. 722-723.

162. Glover G.H. Microwave measurement of the velocity-field characteristic of n-type InP // Appl. Phys. Lett. 1977. - Vol. 48, № 2. - P. 224-225.

163. Shur M.S. GaN-based Electronic Devices // High-Temperature Electronics in Europe / V. Dmitriev, T.P. Chow, S.P. DenBaars etc. Baltimore: Loyola College in Maryland, 2000. -P. 61-86.

164. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1995. - Т. 38, № 10.-С. 43-51.

165. Свидетельство на полезную модель 9351 РФ, МКИ 6 H 03 D 7/00. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). № 98117279/20; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 16.02.99.; Приоритет от 31.08.98., Бюл. № 2.

166. Патент 2138116 РФ, МКИ H 03 D 7/00, 7/12, H 01 L 27/095. Преобразователь частоты СВЧ диапазона / А.И. Михайлов, С.А. Сергеев, Ю.М. Игнатьев (РФ). № 98116381/09; Заявлено 31.08.98.; Опубл. 20.09.99.; Приоритет от 31.08.98., Бюл. № 26.

167. Михагтов А.И., Сергеев С.А., Братаиюв Д.Н. Влияние частоты накачки на эффективность параметрической связи волн пространственного заряда в тонкопленочных структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Физика и техниче