Мороз Ігор Петрович. Взаємодія електромагнітних хвиль високого рівня потужності з інтегральними P-I-N-структурами: Дис... канд. фіз.-мат. наук: 01.04.03 / Київський національний ун-т ім. Тараса Шевченка. - К., 2002. - 172арк. - Бібліогр.: арк. 146-161.
Анотація до роботи:
Мороз І.П. Взаємодія електромагнітних хвиль високого рівня потужності із інтегральними p-i-n-структурами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Київський національний університет ім Т. Шевченка, Київ, 2002.
Дисертаційна робота присвячена питанням удосконалення характеристик інтегральної p-i-n-структури стрічкового типу із заглибленими контактами, що призначена для комутації НВЧ полів високого рівня потужності.
Показано, що у міліметровому діапазоні хвиль інтегральна p-i-n-структура повинна розглядатись як розмірна система. При цьому, у випадку взаємодії p-i-n-діода із потужними НВЧ полями, матеріальне рівняння досліджуваної системи випливає з нелінійного рівняння амбіполярної дифузії. Нелінійна компонента рівняння амбіполярної дифузії характеризує продетектований у неоднорідній активній області діода струм.
Запропоновано аналітичні співвідношення для розрахунку значення електричної компоненти НВЧ поля (критичне значення поля), при якому починають домінувати нелінійні ефекти. Встановлено характер залежностей критичного значення поля від таких параметрів, як частота поля, ширина і-області p-i-n-структури, усередненого часу розсіювання імпульсу електронів та дірок, струму прямого зміщення.
Побудовано математичну модель проходження НВЧ хвиль через інтегральну p-i-n-структуру стрічкового типу, яку використано для вирішення проблеми узгодження p-i-n-діода із одномодовою та багатомодовою лініями передач міліметрового діапазону.
Проаналізовано провідні властивості p-i-n-структур різних типів.
Ключеві слова: НВЧ поля високого рівня потужності, нелінійні хвилеві процеси, комутуючі напівпровідникові НВЧ пристрої, p-i-n-структури.
У висновках викладено підсумки дослідження, які виносяться на захист:
1. В комутаторах потужного НВЧ випромінювання, які використовують у якості робочого елемента p-i-n-структури із активною областю збільшеного об’єму (до них належать і інтегральні p-i-n-структури), концентрація електронно-діркової плазми в активній області формується в першу чергу проникаючим у і-область НВЧ полем, а не продетектованим на контактах діода струмом, як це прийнято у традиційних моделях, що виправдані для об’ємних діодів. Залежність провідності p-i-n-структур від напруженості електричної компоненти поля обумовлена не тільки відомими процесами зміни рухомості електронів і дірок, змінами характерних часів рекомбінації носіїв заряду у сильному полі, а й процесом детектування НВЧ хвилі на неоднорідності розподілу зарядів в елементах p-i-n-структури. Дифузійно-дрейфові процеси, що протікають у активній області p-i-n-діодів, описуються нелінійним рівнянням амбіполярної дифузії, в якому напруженість електричної компоненти поля є параметром.
2. Слабка залежність згасання, що вноситься у хвилеводний тракт інтегральною поверхнево-орієнтованою p-i-n-структурою, від напруженості електричної компоненти потужного електромагнітного поля основним чином пояснюється розтіканням інжектованих зарядів в область підкладки структури та впливом скін-ефекту.
3. Показано, що при розгляді задачі проходження електромагнітного випромінювання через інтегральну p-i-n-структуру метод усереднення неоднорідного шару в порівнянні з більш точними, але й більш громіздкими методами, має прийнятну для практичного використання похибку (вона не перевищує 15% у діапазоні зміни керуючого струму 00,25 А/см2).
4. Серед існуючих типів p-i-n-структур лише інтегральна p-i-n-стуктура із заглибленими контактами стрічкового типу може використовуватись в якості швидкодіючого модулюючого елемента надрозмірних ліній передач (максимальне згасання, що вноситься p-i-n-структурою у лінію передач, складає 15 dB).
5. При значеннях напруженості електричної компоненти НВЧ поля, що перевищують 103104 В/см для кремнієвих структур (102103 В/см для арсенід галієвих структур), активна область p-i-n-структур має нелінійні, анізотропні та неоднорідні властивості. Зокрема, в p-i-n-структурах із активною областю збільшеного об’єму має місце нелінійне згасання потужних НВЧ хвиль, яке є одним із чинників, що обмежує граничний режим роботи комутаторів потужного НВЧ поля. Значення Екр лінійно зростає із зростанням ширини активної області та частоти поля. Інтегральні p-i-n-структури у хвилеводних трактах міліметрового діапазону потрібно розглядати як розмірні системи.
6. Теоретичний аналіз електропровідних характеристик інтегральних p-i-n-структур різних типів, виконаний на основі розгляду процесу амбіполярної дифузії у двовимірних областях, показує, що вони суттєво відрізняються від аналогічних характеристик об’ємних p-i-n-діодів. Провідність інтегральних структур є на порядок нижчою, ніж провідність об’ємних діодів. Застосування традиційної одновимірної моделі амбіполярної дифузії при вивченні комутуючих властивостей інтегральних p-i-n-структур є досить грубим. Найбільш перспективними для комутації НВЧ поля є інтегральні структури типу “кремнієве вікно” та стрічкового типу із заглибленими контактами. Інтегральні поверхнево-орієнтовані p-i-n-структури із плоскими контактами не дозволяють забезпечити рівень комутації сигналу, прийнятний для практичного використання.
Публікації автора:
Основні положення дисертації відображені в таких публікаціях:
1. Grimalsky V. V., Kishenko Ya. I., Koshevaya S. V., Moroz I. P. The Interaction of Powerful Electromagnetic Waves With Integrated p-i-n-structures. // Doc. of Int. Symp. “Physics and Engineering of Mm and Submm Waves”, June 7-10, 1994. - Kharkov, Ukraine. - Vol.1. - Р. 238-239.
2. Grimalsky V. V., Kishenko Ya. I., Koshevaya S. V., Moroz I. P. Integrated P-I-N-Structures Designed For Microwave Quasi-Optical Modulators. // Doc. of Int. Mic. Conf. “Mikon-96”, May 27-30, 1996. - Warsaw, Poland. - Vol.2. - Р. 624-627.
3. Кошевая С. В., Гримальський В. В., Кишенко Я. И., Мороз И. П. Управляющие свойства поверхностно-ориентированной p-i-n-структуры. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - Киев. - №4. - 1997. - С. 71-79.
4. Мороз I. П. Моделювання впливу НВЧ-поля на процеси переносу зарядів в i-область p-i-n-структури. // Волинський математичний вiсник. - Рiвне. - №4. - 1997. - С.106-109.
5. Koshevaya S. V., Gutierrez-D. E. A., Moroz I. P., Tecpoyotl-T. M., Grimalsky V.V. Injection Problem in Powerful Quasi-Optical Modulator. // Doc. of Int. Mic. Conf. “Mikon-98”, May 27-30, 1998. - Kracow, Poland. - Vol.2. - Р.348-350.
6. Пустильник О. Д., Мороз І. П., Кошова С. В., Гримальський В. В. Експериментальне та теоретичне дослідження квазіоптичного модулятора, виконаного на основі інтегральної p-i-n-структури // Вісник Київського університету. Сер. фіз.-мат. Науки. - Вип. 2, 2000. - С. 441-448.
7. Мороз І. П. Нелінійне затухання електромагнітних хвиль в і-області p-i-n-структур // Вісник Київського університету. Сер. фіз.-мат. Науки. - Вип. 1, 2001. - С.356-362.
