CC BY
180
РАДИОТЕХНИКА^^
УДК621.373.9.;621.382.2.09.64
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ШУМА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ШУМОВ
ЛОШИЦКИЙ П.П.,.ПАВЛЮЧЕНКО А.В.____________
Описывются экспериментальные исследования генераторов шума 3-миллиметрового диапазона длин волн на лавинно-пролетных диодах с различным уровнем легирования, работающих в аномальном режиме. Показывается возможность создания генераторов шума с рабочей полосой 22...25% при уровне шумов более 55 дБ от кТо и неравномерностью шумов в рабочей полосе ± 1,5 дБ.
Введение
В настоящее время все большее распространение получают сверхширокополосная радиолокация, навигация, радиометрия и связь благодаря значительным преимуществам по сравнению с традиционными системами. Особенно велика перспектива шумовой и пассивной ближней локации миллиметрового диапазона в свете развития беспилотных средств патрулирования городов, дистанционного контроля наличия оружия и взрывчатых веществ, а также подповерхностной локации минных полей.
Одним из основных элементов таких систем является сверхширокополосный шумовой генератор, к которому предъявляются требования высокого уровня спектральной плотности мощности шума (СПМШ) во всем рабочем диапазоне частот, достигающем 2030 %, низкие энергозатраты при минимально возможных массе и габаритных размерах и очень высокой устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.
Реализация предъявленных требований возможна при создании сверхширокополосных генераторов шума на лавинно-пролетных диодах (ЛПД), работающих в аномальном режиме.
В работе [1] показана принципиальная возможность использования ЛПД в аномальном режиме для получения уровней спектральной плотности мощности шума, значительно (более 30 дБ) превышающих уровни СПМШ генераторов на ЛПД, работающих в обычном режиме. Однако рассмотренные генераторы шума имеют сравнительно малую рабочую полосу частот из-за высокой неравномерности СПМШ в полосе частот.
Для получения максимально возможных значений качества генераторов шума - величины произведения рабочей полосы частот на уровень СПМШ используются двухпролетные ЛПД. У двухпролетных диодов имеется два пролетных пространства: дырочное в p — области p + — p — n — n + структуры и электронное в n — области. Наличие второго пролетного пространства увеличивает ширину области объемного заряда, следовательно, уменьшает емкость, приходящуюся на единицу площади перехода. Поэтому при одинаковой площади перехода и длине одного пролета емкость двухпролетного ЛПД почти в два раза меньше, чем у однопролетного. Это означает, что при одинаковых емкостных сопротивлениях двухпролетный диод способен отдавать большую мощность, иметь больший рабочий объем и меньшее тепловое сопротивление.
Ввиду высокой технологической сложности изготовления ЛПД, особенно двухпролетных, на производстве (в основном) контролируют низкочастотные параметры полупроводниковых структур. По корреляционным зависимостям низкочастотных и СВЧ параметров [2] ведут технологические процессы таким образом, чтобы получить низкочастотные параметры, соответствующие оптимальным СВЧ выходным параметрам диодов.
Целью настоящей работы является исследование сверхширокополосных генераторов шума в аномальном режиме трехмиллиметрового диапазона длин волн с высоким уровнем шумов на основе простых волноводных схем включения двухпролетных ЛПД, имеющих различные профили легирования.
Материалы и оборудование
Питание ЛПД осуществлялось смещением на постоянную величину напряжения (меньшую на 0,1 В пробивного) и наложением импульсов с длительностью 2,2 нс и амплитудой 3 В. Импульсы могли подаваться с различной скважностью, период их повторения составлял 0,1... 1,0 мкс.
Для проведения широкополосных шумовых измерений рассчитан и изготовлен измерительный тракт, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Г/■ — "" А_ ~^_1>_ а -о"" 2"^ 7 12 13 14 15 16
| I G2 I G3 I I G4 I I G5 | |~G6 j j G7 j
6 7 8 9 10 11
G1
W
4
Рис.1. Структурная схема тракта измерения уровня шума
Схема измерительного тракта включает в себя измерительный приемник 5.16, эталонный ГШ 4, поляризационный плавный аттенюатор 2, волноводный переключатель 3 и измеряемый ГШ 1. Измеряемый сигнал генератора шума 1 через поляризационный плавный
4
РИ, 2006, № 4
аттенюатор 2 поступает на двухпозиционный волноводный переключатель 3. В первом положении переключателя 3 на вход приемника подается сигнал эталонного твердотельного генератора шума 4, производится калибровка измерительного тракта; во втором положении - на вход приемника подается измеряемый сигнал - режим измерений. Измерительный приемник построен по супергетеродинной схеме. С выхода переключателя сигнал поступает на балансный смеситель 5, к которому может быть подключен один из гетеродинов 6... 11. В качестве гетеродина приемника выступают генераторы, которые специально изготовлены для работы в широком диапазоне частот. С каждым гетеродином проведена калибровка приемника и оптимизирован уровень шумов. На выходе балансного смесителя 5 выделяется промежуточная частота, которая усиливается малошумящими усилителями (МШУ1 12,МШУ2 14 и МШУ3 16). Селекция сигнала осуществляется узкополосным фильтром 13, полоса пропускания которого составляет 3 % по уровню - 40 дБ. Между МШУ2 и МШУ3 установлен развязывающий коаксиальный аттенюатор 15, обеспечивающий линейный режим МШУ3 и величину выходной измеряемой мощности шума в пределах нескольких сотен микров атт. Этим оптимизировались ошибки измерения выходной мощности. Выходной сигнал поступает на индикатор 17 - измеритель мощности М3-66. Сквозной коэффициент передачи приемника составил 70 дБ, а коэффициент шума 13 дБ. Измерительный тракт позволяет измерять входной уровень шума методом замещения [3]. Общая ошибка таких измерений лежит в пределах 17.20 %.
Волноводная высокочастотная схема включения ЛПД содержит волноводно-коаксиальный переход, в котором коаксиал расположен перпендикулярно-широкой стенке волновода и проходит через его середину. Внутренний диаметр внешнего проводника коаксиала постоянный и равен 3 мм, а диаметр внутренней жилы коаксиала, которая одновременно служит штырем питания диода, во время проведения экспериментов изменялся. Активный элемент - ЛПД расположен в коаксиале на уровне нижней стенки волновода. С другой стороны коаксиала выше верхней стенки волновода расположена поглощающая нагрузка и фильтры питания диода [4]. Описанная схема дает возможность производить необходимую настройку генераторов шума следующим образом: 1 - изменением расположения ЛПД в коаксиале относительно нижней стенки волновода; 2 - изменением диаметра внутренней жилы коаксиала; 3 - изменением расположения короткозамыкающего поршня (КЗ поршня) относительно плоскости установки ЛПД.
Основные соотношения и методика измерений низкочастотных параметров ЛПД
У двухпролетных ЛПД распределение примеси почти симметрично, т.е. в p — и n — областях примерно одинаковые концентрации примеси и ширина области объемного заряда. Эти концентрации примеси и ши-
рина области объемного заряда в свою очередь близки к соответствующим величинам у однопролетного диода [5]. При разработке кремниевых двухпролетных ЛПД необходимо учитывать асимметрию свойств носителей: коэффициент ионизации для электронов больше, чем для дырок [6]. Это приводит к сдвигу максимума частоты лавинной генерации в сторону
n + — области диода [7]. Скорости насыщения для дырок и электронов в пределах точности измерений одинаковые [8]. Эффект электронно-дырочной асимметрии наиболее сильно проявляется в диодах, рассчитанных для работы в верхней части миллиметрового диапазона длин волн с пролетной частотой порядка 100 ГГц [7]. При формировании пролетных областей для ЛПД существенную роль играют «хвосты» концентраций, которые велики даже при использовании ионной эпитаксиальной технологии. Обычно диоды на 50 - 150 ГГц создаются по комбинированной технологии: n — и n + — области создаются эпитаксиальным выращиванием, p — область-ионным легирова-
нием, а p + — область - диффузией. Профили легирования двухпролетных ЛПД контролируются емкостными методами [9]. Соотношения между концентрациями примесей и вольт-фарадной характеристикой структур описываются уравнениями, в которые входят переменные, зависящие от приложенного к p — n переходу напряжения.
В работе использовались ЛПД-асимметрия по концентрации p — и n — областей которых не превышала одного порядка. Это позволило использовать обычно применяемые (упрощенные) представления Шоттки плотности пространственного заряда, а не соотношения Флетчер-Харрика, учитывающие зависимость длины экранирования Дебая и потенциалов в p — и n — областях от напряжения [10].
При наличии асимметрии по ширине p — и n — областей необходимо рассмотреть два участка вольт-фа-радной характеристики. Обратное смещение, приложенное к p — n переходу, образует объемный заряд, величина его в p — и n — областях одинакова только до напряжения U1, при котором граница объемного заряда одной из областей достигает высоколегированной области. Величина емкости при данном напряжении равна:
C
в-S
0
h
0
(1)
где в - диэлектрическая проницаемость материала (кремния); S - площадь p — n перехода; h0 - суммарная длина объемного заряда.
При дальнейшем увеличении обратного смещения объемный заряд увеличивается, продвигаясь по более длинному пролетному пространству. Емкость уменьшается и составляет величину:
РИ, 2006, № 4
5
Ct=
L ho + V
(2)
здесь hj - превышение ширины большей области пролета.
Изменение величины барьерной емкости определяется выражениями:
dC
dU
dC _
dU _"
-Сі- .[_l_+
s- e • - N(xn)
1
N(xp)
] при u<U<0;
С3
-• e • S
• {С0 • [
1
N(xn)
+
1
N(xp)
] + С1
1
N(xp)
}
при Unp < U < U1,
(3)
где e - заряд электрона; N(xn) - концентрация доноров; N(xp) - концентрация акцепторов; С^ -полная измеряемая емкость; C 0 - барьерная емкость
при U слоя.
U1;
С1 _
- • -
h1
- емкость дополнительного
Выражения (3) иногда называют крутизной характеристики C(U) при величине обратного напряжения больше U1 [9]. Выражение для напряжений близких к пробивному для несимметричного по ширине пролета диода представляет собой последовательное включение двух емкостей, соответствующих Со и С1 .
Из (3) следует, что при наличии асимметрии по ширине пролетов p — и n — областей, при концентрации носителей заряда одного порядка величина наклона зависимости C(U) будет иметь скачок при значении напряжения U1 . Величина изменения наклона определяется отношением концентраций носителей заряда в p — и n — областях и относительной величиной участка несимметрии по ширине пролета:
dC X , dC _ 1 + 1 • £1
dU dU N(xp) ‘С0
N(xn)
(4)
В производственных условиях, когда измерение вольт-фарадных характеристик диодов поставлено на поток, отслеживать эти изменения не очень удобно. Поэтому используют один из вариантов аппроксимации нелинейной зарядовой емкости от обратного напряжения
[9]:
k • S = k • S
Vu+^"V^ ,
(5)
где 2 < r < 3 - определяется свойствами p — n перехода; k - константа; U k - контактная разность потенциалов.
В реальных p — n переходах из-за асимметрии, влияющей на барьерную емкость, величина емкости бу-
дет зависеть от эффективной величины обратного напряжения:
Uэф - U + Uk ± AU . (6)
Логарифмируя выражение (5) для барьерной емкости, получаем:
lnC _ lnkS — -Z• lnU^. (7)
Равенство (7) представляет собой уравнение прямой в
координатах ln C , ln U . Изменение величины наклона этой прямой легко фиксируется и поддается интерпретации. На рис. 2 приведена в качестве иллюстрации зависимость ln С от ln U .
Рис. 2. График зависимости lnC от lnU для двухпролетных ЛПД
В случае отсутствия изменения наклона прямой линии (отрезок 1, рис.2) можно утверждать, что p-n переход зарядосимметричен:
n • (xn — x0) _ p • (x0 — xp). (8)
Если при некотором напряжении U1 наблюдается изменение наклона прямой, то пролетная область p — n перехода несимметрична по заряду, а следовательно, и по ширине пролета.
Отрезок 2 (рис.2), с увеличенной крутизной наклона соответствует случаю, когда более широкая область пролета имеет меньшую концентрацию, чем более узкая область. В случае, когда крутизна наклона уменьшается (отрезок 3, рис.2), более широкая область пролета имеет большую концентрацию, чем более узкая область. Это соответствует стандартной кривой зависимости ln С от ln U для резких p — n переходов (см. рис. 8 [9]). Таким образом, при исследовании профилей концентрации p — и n — областей пролета ЛПД необходимо определять не только эффективную концентрацию
1 _ 1 1
_ N(xn) + N(xp), (9)
но и наличие напряжения, при котором меняется крутизна наклона зависимости ln С _ f (ln U).
Наличие областей, в которых эффективная концентрация носителей заряда уменьшается с увеличением обратного напряжения, означает, что концентрации носителей в p — и n — областях сильно отличаются. Действительно:
6
РИ, 2006, № 4
N эфф (x1 )-
n1
1+a
N эфф (x2 )-~n—, (10)
Pi
1 + ^ P2
Nэфф(x1) >Nэфф(x2)
dN
то есть
эфф
dx
< 0, (11)
где П1 и p1 - концентрации носителей при ширине объемного заряда x1; П2 и P2 - концентрации носителей при ширине объемного заряда x2 .
Отсюда следует, что
n2 - n1 > P2 - P1 1 - 1 < 1 - 1
> или < • (12)
n2 • n1 P2 • P1 P1 P2 n1 n2
Из выражений (12) видно, что изменение концентрации носителей при увеличении области объемного
заряда от x1 к x2 более резко в n - области, чем в P — области. Это соответствует более резкому профилю легирования в p — области. При этом исходные концентрации определяются стандартным образом [5 ]. Экспериментальная часть
1. Исследование высокочастотной схемы включения ЛПД
Настройка генераторов шума на ЛПД осуществлялась по методике, разработанной в [11], по соответствию уровня СПМШ входному коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВН) устройства.
Подобная связь КСВН, которая измеряется панорамным измерителем, с СПМШ позволяет осуществлять всю настройку по панорамному измерителю КСВН, а величину шумов настроенного генератора шума измерять в полосе частот с помощью разработанного тракта (см.рис. 1).
На начальной стадии экспериментов сравнивались уровни шумов ЛПД, включенных в высокочастотную цепь со стандартным волноводом в аномальном и обычном (CW IMP ATT) режиме, при величине постоянного тока 60 мА. В аномальном режиме уровень шумов в полосе рабочих частот 79 - 106 ГГц превосходил уровень шумов в IMPATT режиме не менее чем на 30 дБ.
Полученные различия связаны с тем, что в IMPATT режиме величина шума определяется статической природой генерации электронно-дырочных пар в области лавинного умножения [12], а в аномальном режиме - образованием электронно-дырочной плазмы во всей рабочей области диода [13]. Проведенные исследования показали пригодность разработанных двухпролетных диодов генерировать повышенный уровень шумов, т.е. в 3-миллиметровом диапазоне длин волн, соответствующем пролетной частоте диода, а не на частоте TRAP ATT режима, которая обычно в 3.. .4 раза ниже пролетной [13].
Разработка сверхширокополосного генератора шума с высоким уровнем шумов требует согласования импедансов высокочастотной схемы и импеданса диода в рабочей полосе частот. Для этого необходимо установить влияние каждого из элементов настройки схемы. Прежде всего, определить положение диода в коаксиале в рабочей полосе частот, исключая резонансные частоты КЗ поршня. Указанное требование выполняется при замене КЗ поршня на согласованную нагрузку (СН). КСВН изготовленной подвижной СН, измеренный в панорамном режиме, составил величину не более 1,1 во всем рабочем диапазоне частот. Начальное отношение диаметра d внутренней жилы коаксиала, являющейся и штырем ввода тока питания диода, к длине волны в волноводе составляло d / X w =0,206. Глубина нахождения диода в нижней части коаксиала выбиралась такой, чтобы наблюдать максимум КСВН и, следовательно, максимум шума. Частотная характеристика генератора шума имела ярко выраженный максимум и спадающие участки к верхнему и нижнему краям рабочего диапазона частот. Максимальный уровень СПМШ составил 70 дБ от кТо при градиенте СПМШ 2,5 дБ/ ГГц. Полученная частотная зависимость СПМШ показала, что при замене СН на КЗ поршень уровень шумов увеличился в полосе на 2.4 дБ, а подстройкой резонансной частоты поршня и диаметра штыря возможно уменьшить перепад уровня шума в полосе частот.
Дляуменьшения коэффициента трансформации импеданса диода диаметр штыря питания d был уменьшен и составил d/Xw =0,15. Частотная зависимость СПМШ генератора шума стала более плавной, уровень шумов в высокочастотной области повысился. Однако неравномерность в полосе частот 80 - 106 ГГц составляла 40 дБ.
Следующим этапом улучшения неравномерности шумовой характеристики стало увеличение диаметра штыря питания d до величины d / X w =0,17. Основная тенденция - общее увеличение уровня шумов при фиксиров анных максимумах. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о необходимости более полной трансформации импедансов схемы и активного элемента. В дальнейшем использовали волноводы не стандартного, а пониженного сечения.
У меньшение ширины узкой стенки b волновода в два раза приводит к снижению волнового сопротивления волновода и коэффициента трансформации. На этом этапе было решено отношение d / X w увеличить до 0,281 и оставить в качестве нагрузки КЗ поршень на пониженное сечение. Полученная зависимость имеет неравномерность шумовой характеристики менее 3 дБ в нижней части рабочего диапазона частот и резкое повышение уровня СПМШ до величины 65 дБ в верхней части рабочего диапазона. Частотная зависимость шумовой характеристики позволяет предположить, что образец имеет заданную неравномерность,
РИ, 2006, № 4
7
не более 3 дБ, в 4-миллиметровом диапазоне длин волн с сохранением высокого уровня шума.
При настройке образцов было замечено очень сильное влияние КЗ поршня на выходную характеристику генератора и сложилось мнение, что данный элемент настройки должен иметь более плавные частотные характеристики. Для проверки предположения была создана новая конструкция КЗ поршня, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Схематическое изображение новой конструкции КЗ нагрузки и ее расположение в волноводном канале
Из рис. 3 видно, что новая конструкция поршня состоит из двух равных половинок толщиной b/2, где b - ширина узкой стенки волновода пониженного сечения. Обе половинки поршня могут перемещаться независимо вдоль волноводного канала. Новая конструкция КЗ поршня была изготовлена из листовой меди с последующей притиркой и полировкой рабочих поверхностей. Точность изготовленных деталей была не хуже 10 мкм. С использованием измерительной линии проведены измерения входного КСВН и фазы коэффициента отражения новой и стандартной КЗ нагрузки на пониженное сечение волновода.
Рис. 4 иллюстрирует зависимости реактивных составляющих двух нагрузок при изменении их положения относительно исходного. Из представленного графика видно более плавное изменение реактивной составляющей для новой конструкции. Таким образом, новая конструкция КЗ нагрузки может выступать в качестве не только элемента настройки генератора, но и подстроечного элемента.
Рис.4. Реактивные составляющие стандартной КЗ нагрузки (сплошная линия) и новой конструкции КЗ нагрузки (пунктирная линия)
В настроенном экспериментальном образце была произведена замена стандартной КЗ нагрузки на новую конструкцию. Первоначально новая КЗ нагрузка устанавливалась на том же расстоянии от активного элемента, затем производилась подстройка генератора и измерялась его шумовая характеристика в рабочем диапазоне частот. Полученные результаты пред-
ставлены на рис. 5. Из графика на рис. 5 видно, что удалось уменьшить неравномерность шумовой характеристики с увеличением абсолютного значения уровня шума на 8-10 дБ. При заданной неравномерности шумовой характеристики 3 дБ получен избыточный уровень шума 5 8 дБ/кТо в полосе частот не менее 20 ГГц. Качество генератора шума составило величину 1160 дБ/кТоГГц.
СПМЩ дБ
Рис.5. Зависимость уровня шума экспериментального образца в рабочей полосе частот с использованием макета новой конструкции КЗ нагрузки
2. Исследование профилей легирования двухпролетных ЛПД
Из серийных кремниевых пластин, на которых были созданы двухпролетные структуры ЛПД, выбирались те, чьи измеренные низкочастотные параметры: вольт-фарадные характеристики и зависимость эффективной концентрации от расстояния до p — n перехода имели характерные особенности. Данные особенности были свойственны или одной отдельно изготовленной пластине, или группе пластин партии. Отобранные пластины с характерными особенностями низкочастотных параметров использовались для изготовления партий диодов по стандартной технологии. Емкости вырубленных полупроводниковых структур могли варьироваться, что контролируется в процессе изготовления ЛПД, а внешние параметры корпуса и теплоотвода оставались практически одинаковыми. Концентрация носителей в p — и n — областях, а также длины пролетов могли отличаться не более чем на 20 % (паспортные данные пластин). В работе отражены только результаты по четырем партиям диодов, имеющим наиболее выраженные особенности профилей легирования.
Изготовленные двухпролетные ЛПД проверялись по максимальному уровню генерации СВЧ мощности при заданной плотности тока питания, а также по величине качества генераторов шума. Тестирование ЛПД по СВЧ параметрам осуществлялось в измерительных системах включения диодов, рассмотренных выше, имеющих широкие возможности по согласованию высокочастотных импедансов.
На рис.6 и 7 приведены характерные низкочастотные зависимости для ЛПД трехмиллиметрового диапазона длин волн.
8
РИ, 2006, № 4
Рис. 6. Эффективные профили легирования исследуемых партий ЛПД
ленных значениях обратного напряжения прямая ln C изменяет (увеличивает) свою крутизну. Диоды партии №4 имеют отрицательный участок производной dNэф /dx в области больших обратных напряжений, т.е. в области высоких концентраций примеси n — или p + — . При этом зависимость ln C от ln U имеет значительное увеличение наклона при больших обратных напряжениях. На рис. 8 приведены зависимости качества генераторов шумов, имеющих активным элементом диоды различных партий, от величины периода повторения импульсов тока питания ЛПД.
аномальном режиме от величины периода повторения импульсов тока питания ЛПД
Измерения вольт-фарадной характеристики проводилось с точностью ± 0,2 %, систематическая ошибка при вычислении эффективной концентрации не превышала ± 27 % от абсолютного значения и определялась в основном неточностью вычисления (ошибки измерения) площади p — n перехода. Низкочастотные зависимости представляют собой:
- зависимости приведенной концентрации от ширины области объемного заряда. На рис. 6 представлены экспериментальные графики, полученные при измерении вольт-фарадных характеристик структур;
- зависимости ln C от ln U . Они изображены на рис.7 и демонстрируют характерные особенности полупроводниковой структуры.
Партия диодов № 1 имеет низкочастотные параметры, характерные для резкого зарядосимметричного двухпролетного ЛПД, в полупроводниковой структуре которого отсутствуют неоднородности и дефекты. ЛПД партии №2 имеют зависимость приведенной концентрации от ширины области объемного заряда с большими нерегулярностями при малых ширинах (вблизи p — n перехода), соответственно и в распределении нескомпенсированных примесей в пролетах имеются выбросы концентраций. Зависимость ln C от ln U характерна для плавного перехода. Партия №3 характеризуется зависимостью приведенной концентрации от ширины области объемного заряда со значительной величиной отрицательной производной dN^/dx в области середины объемного заряда. Профили легирования при этом имеют значительные выбросы концентраций нескомпенсированных примесей в середине пролетного участка. При опреде-
В аномальном режиме работы к ЛПД прикладывается большое обратное напряжение, создается сильное электрическое поле, на которое накладываются импульсы тока, вызывающие генерацию электроннодырочной плазмы, зарождающейся в p — n переходе. С течением времени количество плазмы увеличивается, она заполняет p — и n — области - разрастается и заполняет весь объем полупроводника. По окончанию возбуждающего импульса тока плазма начинает медленно рассасываться, p — и n — области постепенно возвращаются к обедненному носителями состоянию. В фазе разрастания плотность плазмы очень высока и неоднородности по профилю легирования структуры на небольших расстояниях от p — n перехода не могут повлиять на ее концентрацию (т.е. на уровень шума). Для различных партий диодов уровень генерируемых плазмой шумов при одних и тех же внешних воздействующих факторах одного порядка, что отчетливо видно на рис. 8. Во время рассасывающей фазы плотность плазмы снижается, она уже не в состоянии «маскировать» неоднородности электрического поля, зависящие от неоднородностей в профиле легирования структуры. В результате взаимодействия плазмы с полем ее концентрация уменьшается, и как следствие снижается мощность шумов на выходе генератора. Это влияние неоднородностей электрического поля на достаточно больших расстояниях от p — n перехода подтверждают экспериментальные данные рис.8. Следует отметить, что «маскирующий» уровень плазмы величиной 50 -70 дБ/кТо снижается при увеличении периода повторения импульсов тока, и при T > 1 мкс достаточно хорошо видны различия в уровнях генерируемой шумовой мощности для различных партий ЛПД. Снижение качества генераторов шума на ЛПД в аномаль-
РИ, 2006, № 4
9
ном режиме связано с взаимодействием плазмы и неоднородного электрического поля на «средних» и «больших» расстояниях от p — n перехода, когда плотность плазмы снижается (проходит значительное время после окончания импульса тока), а напряженность поля остается высокой. На рис.9 приведены зависимости относительной мощности генерации в трехмиллиметровом диапазоне длин волн для различных диодов рассмотренных рабочих партий при оптимальных плотностях токов питания ЛПД. Мощность нормируется на величину мощности генерируемой диодами партии №3.
№3
№1 №2
№4
1
88 90 92 94
F, ГГц
Р
отн.ед
1
5. Параметры генераторов шума на ЛПД, работающих в аномальном режиме, существенно зависят от профилей легирования пролетов. Чем симметричнее профиль легирования р- и n- областей и выше симметрия структуры по заряду, тем выше качество генераторов шума. Наличие неоднородностей в концентрации носителей в пролетных областях приводит к снижению уровня генерируемого шума.
6. Требования к профилям легирования пролетных пространств для генераторов шума в аномальном режиме и генераторов мощности в CW IMP ATT режиме одинаковы.
7. Показана возможность по зависимости lnC от lnU определения некомпенсированных зарядов для p- и n- областей и, как следствие, несимметричности пролетов, которые могут быть исправлены в ходе технологического процесса для получения максимальных значений качества генераторов шумов.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ГП НИИ «Орион» за ценные консультации и помощь в
Рис. 9. Зависимость относительной мощности генерации в CW IMP ATT режиме для рассмотренных партий ЛПД
На рис.10 приведена зависимость качества генераторов шума в аномальном режиме от диаметра p-n перехода. Уровень качества генераторов шума определяется как среднее арифметическое измеренных значений СПМШ при указанных значениях периодов повторения импульсов тока питания.
Рис. 10. Зависимости качества генераторов шума в аномальном режиме от диаметра двухпролетных ЛПД
Выводы
1. Использование аномального режима позволило существенно увеличить показатель качества генератора шума до 1160 дБ/кТоГГц. Полученный уровень качества генератора шума в два раза превосходит величину, приведенную в литературе.
2. Использование различных методов согласования (как описанных в литературе, так и предложенных в данной работе) позволило выполнить широкополосное согласование импеданса стандартного ЛПД с волноводным трактом. Заданная неравномерность шумовой характеристики генератора шума, составляющая ±1,5 дБ, достигнута в полосе частот не менее 20 ГГц.
3. Выбор двухпролетной структуры p + - p — n — n + в качестве активного элемента генератора шума и аномальный режим его работы позволили получить величину СПМШ на уровне 58 дБ/кТо.
4. Показана возможность использования для двухпролетных ЛПД емкостных методов исследования зависимостей эффективных концентраций носителей от ширины объемного заряда или расстояния от p-n перехода. Известные соотношения должны быть модифицированы с учетом наличия двухпролетных пространств и возможной их асимметрии.
проведении экспериментов.
Литература: 1. Лошицкий П.П., Павлюченко А.В. Исследование шумовых характеристик лавинно-пролетного диода в аномальном режиме // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники». 2005. Ч.2. С. 69-71. 2. Лошицкий П.П., Постников В.М. Связь СВЧ и низкочастотных параметров шумовых лавинно-пролетных диодов // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1981. №11. С.26-27. 3. ВалитовР.А., СретенскийВ.Н. Радиоизмерения на сверхвысоких частотах: Монография. М.: Издательство Военного Министерства СССР, 1951.
C. 310-338. 4. Gorbachov O., Kasatkin L. Complex coaxial-waveguide transitions at millimeter-waves // Microwave J. 2001. №7. Р.90-100. 5. Зейдел Т., Девис Р., Иглесиас Д. Двупролетные IMPATT-диоды миллиметрового диапазона, изготовленные методом ионного внедрения // ТИ-ИЭР. 1970. Т.58, №8. С.107-114. 6. Lee^ C.A., Logan R.A. Ionization rates of holes and electrons in silicon // Phys. Rev. 1964. V.134. P.761. 7. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1973.656 c. 8. SeidelT.E., Scharfetter
D. L. Dependence of hole velocity upon electric field and hole density for p-type silicon // J. Phys. Chem. Solid. 1967. V.28. P.2563. 9. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников. Л.: Наука, 1972. 104 с. 10. Chang Y.F.Capacitance of p-n junctions: Space - Charge Capacitance //J. of Appl. Phys. 1966. V.37. P.2337-2342. 11. Лошицкий П. П. Метод настройки генераторов шума на ЛПД // Электронная техника. Серия 1.Электроника СВЧ.1990. Вып.2(426). С.37-39. 12. Тагер А.С., Вальд-Перлов В.М. Лавинно-прелетные диоды и их применение в технике СВЧ: Монография. М.: Сов. радио, 1968. 13. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение /Под ред. Уотсона Г.: Пер. с англ. М.: Мир, 1972. 202 с.
Поступила в редколлегию 15.10.2006
Рецензент: д-рфиз.-мат. наук, проф. Белявский Е.Д.
Лошицкий Павел Павлович, д-р техн. наук, профессор кафедры физической и биомедицинской электроники НТТУ «КПИ». Научные интересы: нелинейная динамика систем, взаимодействие электромагнитных волн с биологическими объектами, плазма твердого тела. Увлечение и хобби: восточные языки. Адрес: Украина, 04074, Киев, ул. Автозаводская, 7, кв.60, тел. (044)432-50-80.
Павлюченко Андрей Валериевич, ведущий инженер ГП НИИ «Орион», г. Киев, соискатель при кафедре физической и биомедицинской электроники НТТУ «КПИ». Научные интересы: твердотельные устройства СВЧ, плазма твердого тела. Увлечение и хобби: любительская радиосвязь. Адрес: Украина, 03179, Киев, ул. Бударина, 9, кв.68, тел. (044)451 -33-20 д., (8-050) 381-81-77 м.
10
РИ, 2006, № 4
