CC BY
64
УДК 621.382
РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
С.С. Горбатов
Саратовский государственный университет? кафедра физики твёрдого тела E-mail: usanovda@info.sgu.ru
Установлены новые типы резонансов в электродинамических низкоразмерных системах с полупроводниками, полупроводниковыми структурами, металлическими и диэлектрическими включениями и показана возможность их использования при разработке и создании новых типов полупроводниковых СВЧ-уст-ройств.
The Resonance Phenomena in Electrodynamic Systems with Metal, Dielectric and Semiconducting Inclusions
S.S. Gorbatov
The new types of resonances in electrodynamic reduced dimensionality systems with semiconductors, semiconducting structures are installed, the metal and dielectric inclusions and show a possibility of their use for want of to development and creation of new types of a semiconducting microwave of systems.
Применение полупроводниковых элементов в устройствах СВЧ, в том числе предназначенных для работы на высоких уровнях мощности, связано с необходимостью решения достаточно сложной проблемы согласования малогабаритного полупроводникового элемента с электродинамической системой, размеры которой велики, с целью концентрации СВЧ-поля, распределенного по системе, в малом объеме полупроводника. От того насколько успешно решена эта задача, во многом зависят основные характеристики устройства в целом. Следует отметить, что у большинства полупроводниковых волноводных СВЧ-устройств при их различном функциональном назначении связь полупроводникового диода с полем в волноводе осуществляется с помощью металлического стержня. Это обусловлено необходимостью концентрации поля СВЧ-волны в полупроводниковом элементе, размеры которого малы по сравнению с размерами линии передачи.
Таким образом, возможности совершенствования параметров полупроводниковых СВЧ-устройств могут быть связаны с изуче-
нием физических особенностей специфики их работы в условиях воздействия высоких уровней мощности, взаимодействия СВЧ-колебаний и волн в электродинамических системах с полупроводником. Отметим, что для теоретического моделирования ситуаций, характерных для указанных выше задач, необходимо решать сложную систему нелинейных дифференциальных уравнений, которые описывают физические процессы, протекающие в полупроводниковых элементах при воздействии на них СВЧ-излучения, совместно с не менее сложной задачей по нахождению распределения поля в электродинамической системе, включающей в себя эти элементы. Решение этой задачи связано с достаточно высокими трудностями. Поэтому в большинстве случаев пользуются теми или иными упрощающими предположениями, к которым можно отнести использование при описании эквивалентной схемы полупроводникового элемента так называемого малосигнального, а при описании электродинамических систем - одномодового приближения.
Однако, как показано в работах [1, 2], вопреки предсказываемому в результате использования одномодовых представлений увеличению затухания с ростом проводимости или толщины полупроводникового образца, помещенного в волновод, может наблюдаться немонотонный характер этой зависимости, включающей участки с уменьшением затухания.
Возбуждение волн высших типов в электродинамических системах, содержащих полупроводник, приводит к новым явлениям, описание которых с точки зрения «одномодовой» теории невозможно. В частности, в работах [2, 3] показано, что возбуждением
© С.С. Горбатов, 2008
волн высших типов обусловлены эффект смещения поля при воздействии внешнего постоянного магнитного поля на полупроводниковую пластину, расположенную в волноводе, и эффект невзаимного распространения волны в таком волноводе. Помимо этого, в работах [4, 5] отмечено, что взаимодействие по высшим типам волн в ряде случаев является причиной инверсного режима работы р--I-п-диодных коммутирующих устройств, изменения частотной полосы и потерь запирания в коммутирующих устройствах, содержащих близко расположенные держатели с р-г-п-диодами.
Немонотонный характер зависимости затухания в волноводе от положения, размеров и проводимости размещенного в нем полупроводникового образца, не характерный для одномодового режима распространения волны, объясняется в работе [6] тем, что при определенных условиях один из возбужденных высших типов волн распространяется с меньшим затуханием, чем волна основного типа.
Несмотря на то что в известной литературе обсуждалась возможность возникновения резонансного затухания волны в других, кроме упомянутых выше, системах, например в системе диафрагма - короткозамы-кающий поршень, но такие вопросы, как, например, возможность управления характеристиками таких систем электрическим или магнитным полем, не рассматривались.
В связи с вышесказанным представляет интерес дальнейшее исследование особенностей распространения волн в электродинамических системах с полупроводником, обусловленных возбуждением высших типов волн. Цель работы состоит в установлении новых физических закономерностей в результате проведения экспериментальных и теоретических исследований особенностей резонансных явлений в электродинамических, в том числе низкоразмерных, системах с полупроводниками и полупроводниковыми структурами, обусловленных многомодовыми или многочастотными режимами работы, нелинейными свойствами материалов и структур и изменением проводимости полупроводника под влиянием внешних воздействий, разработке и создании на их основе
новых типов полупроводниковых СВЧ-устройств.
Ранее не рассматривалось влияние на частотную характеристику системы металлический штырь с зазором - близкорасположенный поршень размеров штыря и его расположения относительно узкой стенки волновода. В работе [7] были обнаружены резонансы при малых расстояниях I между ёмкостной диафрагмой и короткозамыкаю-щим поршнем.
Наблюдавшаяся аналогия позволила предположить возможность обнаружить увеличение частоты резонанса с увеличением I и в системе штырь с зазором - близкорасположенный короткозамыкатель. Схематическое изображение исследуемого устройства приведено на рис. 1, а, где 1 - прямоугольный волновод, 2 - штырь с зазором, 3 - поршень.
При расчёте определялась частотная зависимость затухания мощности (Ь), коэффициента стоячей волны (КсхЦ) и фазы коэффициента отражения (Ф) в исследуемой конструкции. Значения коэффициента Ь определялись из соотношения Ь = 10 ^|1/ Г |2, где Г = (Ъ - Ъс10)/(Ъ + Ъс10), Ъ - импеданс, определённый в плоскости штыря и включающий параллельно соединённые импеданс штыря с зазором и входной импеданс отрезка волновода с поршнем, Ъ 1
(Г/ )+(Ус ) ’
Я
Б 9 Г ■р
Рис. 1
а
б
У? = -
1
., где Я + ]ХЬ - сумма активной
Я + ЇХЬ
и индуктивной составляющей импеданса штыря, ] — мнимая единица. Ёмкостная составляющая полной проводимости штыря с зазором имеет вид [8]:
Ус = */1
м . .
У 7 (к / к )2т 2
тп V рт дп ) тп
т=1
. (1)
Здесь
7__ =
Ц Ь [к 2 — к уг), ак (2 — Во )Гтп ’
к рт = Эт к, X (Эт вт / вт ),
Кп = С“ М 0>іП 9, / 9 п )'
(1, п = 0;
Г = Л/к 2 + к 2 — к2 , В0 =
тп \ х у 0
0, п Ф 0,
тп м , пп е
вт =—------, фп =
2 а
2Ь
к = тп к = пп
х а ’ у Ь ’
g - высота зазора.
Значение Ъс10 определялось из записанного в соответствии с [2] выражения
Л
7
к
х
((п / а )2 — к 2 )'
„. і п „ ^ 8іп (пм /2 а ) х Эт | — X | 4 7,
(пм /2 а )
где а, Ь - размеры широкой и узкой стенок
7 т е
волновода соответственно; к = —, 5 - расс
стояние от середины штыря до боковой стенки волновода, w - ширина штыря.
Выражение для суммы активной и индуктивной составляющей импеданса штыря с зазором записывается следующим образом:
Я + }ХЬ = У 7т0 1 — і
т=1 .2
х
0 у
(2)
х (к 2 рт / к2 Р1) (1 — м / а )т2
Здесь - поверхностный импеданс штыря, рассчитываемый из соотношения:
= (1 + іУ (ОД^/2а,
(3)
где О- круговая частота, /Но и о- соответственно магнитная проницаемость вакуума и проводимость материала штыря.
Коэффициент Тт п , входящий в выражения (1) и (2), характеризует наличие коротко-замыкающей плоскости поршня и рассчитывается из соотношений:
Т = 2т, / (1 + т ),
тп 1тп \ 1тп /
[1 +Ртп еХР (- 2 Гтп1 )]
/ 1т п
[1 — Ртп ехр (— 2Гтп 1 )]
р = (г,. -2г )/(г,. + 2г ),
г тп \ , 1 тп / \ , 1 тп /
где р тп - комплексный коэффициент отражения от плоскости поршня; г51 - импеданс
поршня, определяемый из соотношения (3). Для бесконечного волновода множитель
Т = 1
т п
Расчёты потерь затухания СВЧ мощности, коэффициента стоячей волны, а также фазы коэффициента отражения были проведены в рабочей полосе частот прямоугольного волновода с размерами поперечного сечения 10 X 23 мм.
На рис. 1, б приведены результаты расчётов (сплошные кривые) и экспериментальных исследований (пунктирные кривые) частотной зависимости Ксти для различных значений ширины штыря w при неизменных расстояниях от штыря до боковой стенки волновода 5 = 5 мм и до поршня I = 900 мкм при высоте зазора g = 0.2 мм. Значение величины Н, определяющей положение зазора для данного случая и во всех последующих экспериментах и расчётах, принималось равным 0.2 мм. При расчётах предполагалось, что в качестве материала, из которого изготавливался штыр ь, использовалась медь (а = 1.653 X X 10-6 Омсм).
тп .
1
п=1
Результаты расчётов, приведённые на рис. 1, б, свидетельствуют о том, что при увеличении ширины штыря от 2 мм (кривые 1) до 4 мм (кривые 3) резонанс коэффициента отражения возникает на более высоких частотах, при этом значение Ксти на частоте резонанса с увеличением w увеличивается. Кривые 2 соответствуют ширине штыря w = 3 мм. Из сопоставления результатов расчётов и измерений, проведённых для системы с параметрами и в диапазоне частот, заданными при расчёте (пунктирные кривые), следует их хорошее соответствие. Результаты измерений (пунктирные кривые) и расчётов (сплошные кривые), приведённые на рис. 2, а, свидетельствуют о том, что уменьшение высоты зазора от величины g = 0.2 мм (кривые 1) до g = = 0.1 мм (кривые 2) для ширины штыря w = = 2 мм при l = 800 мкм приводит к уменьшению частоты резонанса и увеличению Ксти на резонансной частоте. Это может быть объяснено тем, что уменьшение высоты зазора приводит к увеличению ёмкостной составляющей импеданса системы. При исследовании системы ёмкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень было обнаружено, что существует интервал расстояний от диафрагмы до поршня, в котором увеличение расстояния приводит к увеличению резонансной частоты системы [7]. На рис. 2, б приведены данные результатов измерений (пунктирные кривые) и расчётов (сплошные кривые), которые свидетельствуют о том, что с увеличением расстояния от поршня до медного штыря от 700 мкм (кривые 1) до 900 мкм (кривые 3), резонансная частота увеличива-
К
Ксти
а
ется от 10 ГГц до 11.1 ГГц. Кривые 2 соответствуют 800 мкм. Ширина штыря составляла при этом 2 мм, высота зазора g = 0.2 мм, расстояние от штыря до боковой стенки волновода s = 5 мм. То есть для системы штырь — близкорасположенный поршень наблюдается закономерность, аналогичная системе с ёмкостной диафрагмой, описанной в [7]. Уменьшение индуктивной составляющей импеданса штыря подтверждается численными расчётами. Вследствие уменьшения индуктивности с ростом w уменьшается добротность резонанса, что также подтверждают результаты расчётов. Отметим, что результаты измерений (пунктирные кривые) подтверждают эти выводы и хорошо соответствуют расчёту. В экспериментах использовался штырь и з меди.
Были проведены также расчёты (сплошные кривые на рис. 3) фазы коэффициента отражения Ф в полосе частот для различных значений активной составляющей поверхностного импеданса штыря. При расчёте задавались значения l = 900 мкм, w = 3 мм, g = = 0.2 мм, s = 5 мм.
Из результатов расчётов следует, что фазочастотная характеристика имеет вид, характерный для последовательного резонансного контура. Результаты расчётов хорошо согласуются с результатами измерений, приведёнными на этом же рисунке (пунктирные кривые). Кривые 1, приведённые на рис. 3, а, соответствуют случаю, когда штырь изготовлен из меди 2 мм, кривые 2 — из свинца. Видно, что кривые 2 являются более пологими, что объясняется большим удель-
К
Ксти
б
Ф, рад
1 2
Рис. 3
ным сопротивлением свинца по сравнению с медью. Проведённые исследования системы штырь с зазором — близкорасположенный поршень свидетельствуют, в частности, о высокой чувствительности резонанса системы к изменению поверхностного импеданса штыря. Это позволяет сделать предположение о том, что искажение линий СВЧ-тока, протекающего по поверхности штыря, вследствие возникновения токов Холла при приложении постоянного магнитного поля в направлении, перпендикулярном поверхности штыря, и связанного с этим эффекта магнетосопротив-ления, может приводить к существенному изменению электродинамических характеристик системы.
В связи с этим были проведены измерения Ксти исследуемой системы в полосе частот в зависимости от величины индукции магнитного поля В, приложенного в направлении, перпендикулярном поверхности штыря. Результаты этих измерений, приведённые на рис. 3, б, свидетельствуют о том, что при увеличении индукции магнитного поля В от
0 до 4000 Г с резонансная частота изменяется от 9.1 до 9.67 ГГц при практически неизменном значении Ксти (кривая 1 соответствует отсутствию магнитного поля, кривая 2 соответствует индукции магнитного поля 1000, кривая 3 — 2000, кривая 4 — 4000 Гс, w = 3 мм, g = 0.2 мм, я = 5 мм, I = 550 мкм).
Было сделано предположение о том, что при использовании диафрагмы более сложной формы, чем это обычно принято, спектр
возникающих в её окрестности высших типов волн должен быть существенно богаче. Соответственно частотные интервалы между высшими типами волн, существующими в системе, могут быть малыми. В результате при приближении такой диафрагмы к ко-роткозамыкателю можно ожидать формирования частотных характеристик, подобных характеристикам полосно пропускающих фильтров. Сделанное предположение было проверено нами экспериментально [7].
Была также исследована система из трёх ёмкостных диафрагм [9], последовательно расположенных вдоль прямоугольного волновода на расстояниях друг от друга, значительно меньших длины волны основного типа. Отверстия в диафрагмах располагались таким образом, чтобы центральная диафрагма как бы имитировала короткозамыкатель для волны основного типа. То есть если в передней диафрагме ёмкостное отверстие располагалось внизу, то в центральной — вверху, а в выходной — вновь внизу. Как следует из результатов работы [9], частотная зависимость потерь пропускания в предложенной системе имеет вид резонансной зависимости с потерями в окрестности резонанса на уровне 1 ёБ.
В экспериментах использовалась диафрагма , толщину которой (~130 мкм) по отношению к длине волны основного типа можно считать малой, т.е. по отношению к длине волны основного типа такую диафрагму можно считать тонкой. Длины волн выс-
ших типов, играющих определяющую роль в возникновении резонансов при расстояниях 0.1-0.01 ^В , намного меньше ХВ. Поэтому тонкая по отношению к длине волны основного типа диафрагма может быть довольно толстой по отношению к волнам высших типов. В этой связи можно ожидать существенного изменения характеристик, наблю-
даемых в рассматриваемой системе резонансов, при использовании сверхтонких по отношению к ^В диафрагм. Были проведены измерения частотных зависимостей затухания исследуемой системы с ёмкостной диафрагмой и диафрагмой с отверстием сложной формы (диафрагма с отверстием сложной формы изображена на вставке к рис. 4) [10].
Ь, дБ
8 9 10 11
ГГц
Рис. 4.
б
а
Из приведённых на рис. 4 результатов следует, что при использовании сверхтонкой диафрагмы для разных расстояний между поршнем и диафрагмой получаются однотипные зависимости Ь от /, чего не наблюдается при использовании диафрагм с толщиной, соизмеримой с длинами волн высших типов. Таким образом, резонансные или полосовые свойства в системе диафрагма — ко-роткозамыкающий поршень могут быть достигнуты не только изменением формы отверстия диафрагмы, но и изменением её толщины.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что создание условий для преимущественного возбуждения одного из возможных в системе ёмкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень высших типов колебаний путём создания выступов и впадин в щели в количестве, соответствующем индексам этого типа, приводит к существенному уменьшению ширины резонансной кривой.
Показано, что использование исследованного [11] резонатора позволяет обеспе-
чить при различных расположениях отверстия малого диаметра в короткозамыкателе повышенную чувствительность либо к изменению проводимости, либо к изменению диэлектрической проницаемости накладываемого на отверстие материала. Данный резонатор может быть использован для измерений параметров материалов с высокой степенью локальности.
При необходимости проведения с помощью такого резонатора измерений на разных частотах представляет интерес поиск способов его перестройки при неизменном положении короткозамыкателя относительно диафрагмы. В этой связи нами была исследована возможность управления характеристиками такого резонатора внешним магнитным полем [12]. Такая возможность основывается на предположении, что в исследуемом резонаторе, вследствие малости его геометрических размеров, даже небольшое искажение СВЧ-тока в размещённых в нём полупроводниковых вставках или в его стенках, связанное с воздействием магнитного поля и возникновением холловской составляющей СВЧ
тока, может сильно повлиять на характеристики резонанса. С целью теоретического обоснования возможности управления магнитным полем характеристиками исследуемых резонаторов был проведён расчёт резонатора, в котором в качестве материала для ёмкостной диафрагмы использовался n-InSb.
Для такой системы постоянные распространения у1 можно определить, используя процедуру нахождения собственных значений произведения матриц ЭМ для области волновода, содержащей полупроводниковый
образец [13]. Матрицы Э иМ имеют следующий вид:
М = kO X
Э = kO X
М,,' Мїї
М,,— -“2 X^zzXE
kO М'
l
Э . Э, , —-^XHМ Xі
!! ,2 zz
kO
Э . . Э .
Здесь Э1±, Э±1, Э1±, Эц,, Эг, м1±, м^, м£±,
Мщ ,М — матрицы, элементами которых
являются, в свою очередь, матрицы с элементами
Э„ =£02(£-1К, Е),
Мzlzs =Jo2(J—lHzs. Hzl),
Выражения в круглых скобках представляют собой интегралы по поперечному сечению волновода для области с полупроводником от произведения матриц диэлектрической проницаемости £ (обратной матрицы £ ) соответственно магнитной проницаемости ц (обратной матрицы ц" , которую для полупроводника полагаем единичной матрицей) на соответствующие компоненты базисных функций [13].
В качестве базисных типов волн, кроме волны основного типа Н1>0, были выбраны следующие высшие типы: Н1,1, Н12,24, Н18,36, Н20,40. Выбор такого базиса обоснован численной оценкой величин матричных элементов, входящих в матрицы Э, М . С целью учёта вклада высших типов волн в коэффициент отражения матрица рассеяния Б, соответствующая каждой из найденных постоянных распространения ,
xSin{Y L)
S = — j
1
{aj JYiy
O
l
{ajo J^iУ
-x
Sin{Y l)
{aj JYi);
:Sin{Yi l)
Э1'11'] = (£ Е1' ] ’ Е1'1) ,
Э1'к 1 п = (£ Е1п , Е1'к ) ,
Э1 п 1'к = (£ Е1'к , Е1п ) ,
Э1г 1 * = (£ Е1 * ’ Е11 ) ,
М1 к 1' п = (ц Нг п, Н1 к ь
М1' „ 1 к = (ц Н1к, Нг пь М1г , = (ц Н1' ,, Нг),
М и 1 * =(ц Н1 *,Н и), где I, ] = 1,2,...,М ; I,* = 1,2,........,N; М — чис-
ло базисных волн Е-типа, N — число базисных волн Н-типа; индексы к относятся к волнам Н-типа, п — к волнам Е-типа.
для каждого типа волн преобразуется в матрицу проводимости У = I — 2Б(I + Б)—1, соответствующую данной , нормированную на проводимость
(
—l
Yo =
j WJ 0 J
+
где Ь — расстояние от короткозамыкателя до диафрагмы, I — единичная матрица, в нашем случае она пятого порядка. Затем эти матрицы суммируются. Результирующая матрица проводимости преобразуется в матрицу рассеяния, элемент Б11 которой и определяет искомый коэффициент отражения. При наличии продольного по отношению к направлению распространения электромагнитной волны магнитного поля диэлектрическая проницаемость полупроводника будет характеризоваться тензором [13]:
O
l
2
2
2
Є XX Є ° ху 0
Є = Є ух Є Є уу 0
0 0 Є гг
Компоненты тензора находятся из соотношений:
Є = Є =
XX уу
= ЄІ --
ї1 + (ю с 2 + ю 2 )т 2 ]юр2 т
ю
+ і
1 + (юс2 - ю2 )т2 ію„2 - ю2 )т2
І1 +(ю с 2 -ю 2 )т2 ]
+
1 -(ю с 2 -ю 2 )
ю2 )т21 + 4 ю2 т
+ 4 ю2 т2
ю / т 2
22
Є — — Є —
ху ух
1 + (ю с -ю2 )т 2 ю Р 2 ю с т 2
ю { [1 + 2 о (ю - ю2 )т2] 2 + 4 ю2 т2 }
І +
+ і
[1 + (ю с
2 2 3
ю р ю с т 3
ю
)т2 ] + 4 ю2 т2
Є гг = ЄІ -
,___________. І ' юР2Т2
ю(1 + ю2 т2) (1 + ю2 т2
ю Рт
где
ю,
еВ,
т
ю р =
пе
т *— эффективная масса носителей, п — концентрация носителей в полупроводнике, В0 — магнитная индукция, т — время релаксации.
При расчёте использовалось значение концентрации электронов п = 2,8 • 1016 см—3. Выбирались следующие размеры резонатора: сечение 7.2х3.4 мм, расстояние от диафрагмы до короткозамыкающего поршня ~150 мкм, толщина диафрагмы — 1 мм, высота ёмкостного зазора — 0.4 мм, длина — 7.2 мм.
На рис. 5, а, где 1 — полупроводниковая диафрагма, 2 — поршень, 3 — прямоугольный волновод, приведены результаты расчёта зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КстЦ) в отсутствие магнитного поля (пунктирная кривая А) и при воздействии магнитного поля, направленного перпендикулярно к плоскости диафрагмы с величиной индукции В = 8000 Гс (пунктирная кривая В). Из приведённых на этом рисунке результатов расчёта следует, что приложение магнитного поля должно приводить к существенной перестройке резонансной частоты. Были проведены исследования частотных характеристик резонатора в отсутствие магнитного поля (кривая 1) и при приложении магнитного поля с индукцией В = 8000 Гс, направленного перпендикулярно к плоскости диафрагмы (кривая 2, а), с параметрами, полностью соответствующими заданным при расчёте.
Из вида кривых 1 и 2, а следует, что для выбранного направления магнитного поля при изменении его индукции Ксти в точке резонанса практически не изменяется, тогда как значение резонансной частоты изменяется в довольно широком интервале значений.
3..
Ксти
КстП
Во
Г.ГГц
Рис. 5
2
2
)
2
*
б
а
Таким образом, можно заключить, что данная система выполняет функции резонатора, перестраиваемого магнитным полем. Были проведены дополнительные экспериментальные исследования для выяснения влияния направления магнитного поля на характеристики резонатора. Кривая 1а соответствует случаю, когда магнитное поле с индукцией 8000 Гс приложено перпендикулярно широкой стенке волновода, кривая 2 - узкой. Из приведённых на этом рисунке результатов следует, что по сравнению со случаем, когда магнитное поле приложено перпендикулярно плоскости диафрагмы, для других направлений магнитного поля с увеличением его индукции изменяется Ксти в точке резонанса.
Полупроводниковый материал, использованный в наших экспериментах, является сравнительно узкозонным полупроводником с высокоподвижными носителями заряда, который уже при комнатной температуре имеет высокую собственную проводимость. Холловская компонента СВЧ-тока в таком полупроводнике при приложении магнитного поля довольно велика, и поэтому изменения электродинамических характеристик рассматриваемых систем при приложении магнитного поля значительны. Естественно предположить, что в резонаторе, образованном короткозамкнутым металлическим отрезком волновода и близкорасположенной металлической диафрагмой, в достаточно сильном магнитном поле, вследствие возникновения холловских компонент СВЧ тока в металлических стенках возможно определённое изменение Ксти и частоты резонанса при приложении магнитного поля и без полупроводника.
В частности, можно предположить, что должно наблюдаться изменение резонансной частоты при неизменном Ксти рассматриваемой резонансной системы без полупроводниковой вставки, если магнитное поле направлено перпендикулярно торцу волновода.
Экспериментальная проверка сделанных предположений была проведена на той же резонансной системе, что и в предыдущем случае. Результаты измерений зависимости характеристик исследуемой резонансной системы от величины индукции магнитного поля, направленного перпендикулярно торцу
волновода, приведены на рис. 5, б (1 — прямоугольный волновод, 2 — диафрагма, 3 — поршень). Из них следует, что при изменении величины индукции магнитного поля от нуля (кривая 1) до 4000 Гс (кривая 2), резонанс сдвигается в сторону высоких частот, тогда как значение Ксти в резонансе изменяется незначительно. Дальнейшее увеличение магнитной индукции приводит к уменьшению частоты резонанса (кривая 3 - 8000 Гс).
По аналогии с квантоворазмерными полупроводниковыми структурами такие резонаторы можно назвать резонаторами с пониженной размерностью, в данном конкретном случае двумерными или 2D-резонаторами. В связи с малым продольным размером резонатора типа диафрагма - близко расположенный поршень за счёт изменения этого размера его плавная механическая перестройка затруднительна, так как предполагает наличие механизма, плавно и с высокой степенью точности реализующего микроперемещение. В связи с этим для таких систем представляет интерес осуществление плавной перестройки резонансных характеристик электрическим путём.
В качестве элемента с электрически перестраиваемой ёмкостью был выбран серийный диод 2А709В. Исследовалась возможность электрической перестройки резонансных систем диафрагма — близко расположенный поршень и металлический штырь с ёмкостным зазором — близко расположенный поршень [14].
Нами исследована также система, в которой колебания возбуждаются через индуктивную диафрагму, а зондирующая часть представляет собой ёмкостную диафрагму. В такой системе наблюдалось проявление резонансных свойств, а следовательно, высокая чувствительность к изменению характеристик вносимого в её контур объекта. Результаты измерений приведены на рис. 6. В качестве объекта с изменяющимися свойствами использовалась ячейка (3) из восьми соединённых параллельно р—--п-диодов типа 2К543А (4), размещённых на поликоровом основании, с размерами 8х4 мм, установленная в отверстие ёмкостной диафрагмы на расстоянии от боковой стенки волновода 11.5 мм.
а б
Рис. 6
Кривые 1-4 на рис. 6 соответствуют величине расстояния между диафрагмами 1.5 мм. На диоды подавалось прямое напряжение смещения. Кривая 1 соответствует напряжению смещения 0.8 В, кривая 2 - 0.9 В; кривая 3 - 1 В; кривая 4 - 1.1 В.
Из результатов измерений, приведённых на рис. 6, следует, что при увеличении прямого смещения на диодах резонансная частота исследуемой системы увеличивается, причём перестройка частоты не сопровождается изменением коэффициента стоячей волны Ксти.
Таким образом показано, что при расстояниях I ~ 0.01 Хв , где Хв - длина волны в волноводе, с увеличением I частота резонанса увеличивается. Обнаружена возможность управления характеристиками резонанса магнитным полем или подачей электрического смещения на полупроводниковую структуру, помещённую в ёмкостной зазор диафрагмы [15].
Выше была показана возможность возникновения низкоразмерных резонансов в волноводных системах. В [16] приведены результаты исследований возможности возникновения такого рода резонансных характеристик отражения в микрополосковой системе.
Для выявления общности установленных закономерностей были предприняты исследования низкоразмерных систем из металлических диафрагм с отверстиями, предназначенных для использования в ИК- и видимом диапазонах длин волн.
Использовалась система из двух слоёв алюминиевой фольги с толщиной «0.5 мкм, в одном из которых пробивалось отверстие прямоугольной формы с размерами «1x5000 мкм. Слои алюминиевой фольги разделялись между собой слоем диэлектрика, функцию которого выполняли расположенные на обращённых друг к другу поверхностях алюминия естественным образом образующиеся плёнки окисла алюминия, суммарная толщина которых составляла ~200 ангстрем, что для коротковолновой области инфракрасного диапазона составляет «1/100 длины волны. Максимальное поглощение наблюдалось для излучения с длиной волны «8 мкм. Наблюдались также пики поглощения при длинах волн 4.5 мкм и 12 мкм.
Специфической особенностью резонансов, описанных нами в [17], является сдвиг их характерных частот при увеличении расстояния до короткозамыкателя в сторону меньших длин волн. Отмечаются возможности использования предложенной системы для создания перестраиваемых фильтров ИК излучения.
Представленная на рис. 7 система из диафрагм 3, разделённых диэлектриком, устанавливалась в зазоре магнита [18]. В качестве источника излучения использовался светодиод АЛ307 БМ (1) (длина волны излучения 0.66 мкм). Величина магнитного поля регулировалась изменением зазора между его полюсами и контролировалась с помощью полупроводникового датчика Холла 4. Амплитуда прошедшего света фиксировалась фотоприёмником 5 на основе кремниевой п-г-р—'-п-структуры, установленной вплотную к системе с диафрагмами.
Из результатов измерений, приведённых на рис. 8, следует, что при изменении величины индукции магнитного поля В от нуля до 8000 Гс регистрируемый сигнал на фото-
1 51 /- 2 ч
ы с
I '\4
Рис. 7
Рис. 8
приёмнике изменялся от 6.6 до 27.6 мВ, что свидетельствует об увеличении пропускания излучения с ростом B.
Таким образом, установлены новые типы резонансов в электродинамических низкоразмерных системах с полупроводниками и полупроводниковыми структурами, металлическими и диэлектрическими включениями, обусловленные многомодовыми режимами работы, разработаны и созданы на их основе новые типы полупроводниковых СВЧ-устройств.
Библиографический список
1. Усанов Д.А., Вагарин А.Ю. Немонотонная зависимость затухания волны в волноводе от проводимости и толщины помещенного в него полупроводника // Радиотехника и электроника. 1978. Т.23, №3. С.470-474.
2. Усанов Д.А., Феклистов В.Б., Вагарин А.Ю. Влияние высших типов волн на затухание волны в волноводе, содержащем полупроводник // Радиотехника и электроника. 1979. Т.24, №8. С.1681-1683.
3. Hirota R., Suzuki K. Field distribution in a magnetoplasma-loaded waveguide at room temperature // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. 1970. V.18, №4. P.188-195.
4. Усанов Д.А., Орлов В.Е. Немонотонная зависимость затухания электромагнитной волны от уровня инжекции в p-i-tt-диодных структурах, помещенных в волновод // Радиотехника и электроника. 1987. Т.32, №5. С. 1129-1131.
5. Виненко В.Г., Лицов А.А., Усанов Д.А. Влияние высших типов колебаний на характеристики волноводных управляющих устройств на p-i-t-диодах // Радиотехника и электроника. 1983. Т.28, №1. С.201-203.
6. Усанов Д.А., Занин В.И., Феклистов В.Б. Зависимость затухания волны в волноводе, содержащем двухслойную структуру полупроводник-диэлектрик, от проводимости и толщины полупроводника // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1992. Т.35, №8. С.715-723.
7. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Вениг С.Б., Орлов В.Е. Резонансы в полубесконечном волноводе с диафрагмой, связанные с возбуждением волн высших типов // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, №18. С.47-49.
8. Эйзенхарт Р., Кан Р. Теоретическое и экспериментальное исследование держателя СВЧ-элемента в волноводе // Зарубежная радиоэлектроника. 1970. №8. С.102-125.
9. Усанов Д.А., Горбатов С.С. Резонансное пропускание волны в прямоугольном волноводе, содержащем близкорасположенные диафрагмы с неперекрывающимися отверстиями // Радиотехника и электроника. 2004. Т.49, №4. С.458-459.
10. Горбатов С.С., Усанов Д.А. Резонансы в системе сверхтонкая диафрагма коротко-замыкающий поршень // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. науч.-техн. конф. Саратов, 2004. С.289-291.
11. Усанов Д.А., Горбатов С.С. Волноводный измерительный резонатор // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2002. Т.45, №9. С.26-28.
12. Усанов Д.А., Горбатов С.С. Управляемые магнитным полем резонансы в СВЧ системах с полупроводниковыми диодами // Моделирование в прикладной электродинамике и электронике: Сб. науч. тр. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. Вып.6. С.50-54.
13. Усанов Д.А., Кабанов Л.Н., Горбатов С.С. О применении вариационного метода к расчету волновода, частично заполненного полупроводником // Физика полупроводников и полупроводниковая электроника. 1976. Вып.7. С.112-117.
14. Усанов Д.А., Горбатов С.С. Управляемый магнитным полем СВЧ-выключатель на р-г'-п-диодах // Приборы и техника эксперимента. 2003. №1. С.72-73.
15.Усанов Д.А., Горбатов С.С. Электрически управляемый низкоразмерный СВЧ-резонатор // Приборы и техника эксперимента. 2006. №3. С.100-102.
16.Усанов Д.А., Горбатов С.С. Резонансы в микрополос-ковой системе диафрагма-короткозамыкающий поршень // Изв. вузов. Радиоэлектроника 2005. Т.48, №5. С.402-405.
17.Усанов Д.А., Горбатов С.С. Резонансное поглощение инфракрасного излучения системой металл - тонкий слой диэлектрика - диафрагма с отверстием // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27, №21. С.81-83.
18. Усанов Д.А., Горбатов С.С. Управляемое магнитным полем пропускание света системой из металлических диафрагм с отверстиями, разделённых тонким слоем диэлектрика // Письма в ЖТФ. 2004. Т.30, №14. С.25-29.
