Экспериментальное исследование преобразования частоты СВЧ-излучения миллиметрового диапазона при пинч-эффекте

Электроника СВЧ

УДК 538.566.2

В. В. Антонов, В. А. Коломейцев

Саратовский государственный технический университет

Экспериментальное исследование преобразования частоты СВЧ-излучения миллиметрового диапазона при пинч-эффекте

Приведены результаты экспериментального исследования процесса умножения частоты электромагнитного излучения миллиметрового диапазона в волноводе с полупроводниковой пластиной антимонида индия электронного типа, находящейся в состоянии пинч-эффекта. Показано, что коэффициент умножения частоты существенно зависит от длины волны излучения.

Плазма, полупроводник, пинч-эффект, умножение частоты, СВЧ-излучение

В плазменных умножителях частоты электромагнитное поле нелинейным образом взаимодействует с плазмой и создает на выходе гармоники входного сигнала [1]. Эффективность умножителя характеризуется коэффициентом преобразования мощности ц, численно равным отношению выходной мощности на удвоенной частоте к входной мощности на основной частоте. Максимальное значение ц достигается при равенстве плазменной частоты удвоенной частоте гармоники. Для миллиметрового диапазона длин волн концентрация носи-

20 22 —3

телей заряда в плазме должна быть порядка 10 ...10 м . Создание газоразрядной плазмы с такой концентрацией применительно к задачам радиоэлектроники проблематично. В работах [2] и [3] предложен механизм генерации второй гармоники, основанный на неоднородности газоразрядной плазмы. Однако слабая неоднородность и малая концентрация носителей заряда, из-за чего во вторую гармонику преобразуется лишь незначительная часть энергии, поглощенной при плазменном резонансе, ограничивают применение плазменных умножителей частоты в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн излучения.

Указанными значениями равновесной концентрации характеризуется плазма твердого тела, реализуемая в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны. Поэтому в полупроводниках с резко неоднородной концентрацией носителей заряда при пинч-эффекте или при температурно-электрической неустойчивости эффективность преобразования частоты существенно возрастает [4].

Экспериментальное исследование умножения частоты при пинч-эффекте проводилось на установке, структурная схема которой приведена на рис. 1. Импульс от генератора 1 запускал генератор 6, управлявший импульсным модулятором 7 магнетронного генератора СВЧ-колебаний 9. Необходимое высокое напряжение формировалось источником 8. Высокочастотный импульс с выхода генератора 9 подавался через аттенюатор 10 и феррито-вый вентиль 11 в волноводный тракт, содержащий полупроводниковый образец и коническую волноводную секцию.

© Антонов В. В., Коломейцев В. А., 2011 83

6 1 2

12

14

13

10

11

-н

1 т

15

17

16

X

25

23

ЕЯ)

18

Яэ

19

22

20

нь

НЬ

I

21

24

23

та

Рис. 1

Второй импульс, снимаемый с генератора 1, подавался на генератор мощных токовых импульсов 3, стабилизированный стабилизатором напряжения 4 мощностью 0.75 кВт, и на его высоковольтный источник питания 2. Первый канал двухлучевого осциллографа 5, подключенный к входу высоковольтного источника 2, регистрировал импульс, создаваемый генератором 1, второй канал осциллографа - вольт-амперную характеристику (ВАХ).

С выхода генератора 3 импульс подавался на исследуемый образец из антимонида индия электронного типа 24.

Детекторная секция 12, усилитель 13 и осциллограф 14 фиксировали падающую на полупроводник мощность СВЧ-поля. Детекторная секция 15, усилитель 16 и осциллограф 17 использовались для фиксации отраженной от полупроводника СВЧ-мощности на основной частоте, а аттенюатор 18, ферритовый вентиль 19, детекторная секция 29, усилитель 21 и осциллограф 22 - для фиксации отраженной от полупроводника СВЧ-мощности, возникающей в результате пинч-эффекта.

Экспериментальные исследования прохождения электромагнитного излучения через полупроводниковый образец проводились при температуре жидкого азота. Для измерений использовался волновод с конической волноводной секцией, в который вставлялся фланец с образцом антимонида индия. Выходное сечение конической волноводной секции выбиралось таким образом, чтобы она не пропускала СВЧ-сигнал основной частоты и пропускала излучение на второй гармонике. Волновод помещался в специально изготовленный сосуд Дьюара 25. Образец антимонида индия электронного типа полностью перекрывал сечение

20 —3

волноводного тракта. Равновесная концентрация электронов в образце щ = 1.6 -10 м ,

их подвижность = 47 м2/(В - с).

Образцы вырезались из монокристалла на электроискровой установке. Полученные пластины полупроводника шлифовались с одной стороны микропорошком зернистости 1 мкм и шлифованной поверхностью приклеивались эпоксидной смолой к стеклянной пластине разме-

ром 8 х 4 мм и толщиной 160 мкм, после чего пластина шпиговалась до толщины 80 мкм.

3

4

8

7

5

9

а

а

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 1

Обезжиривание полупроводниковых образцов проводилось в четыреххлористом углероде. Полученные таким образом образцы снимались с пластины и помещались в волноводный тракт.

Импульс с выхода генератора мощных токовых импульсов (см. рис. 1, поз. 3) подавался на образец по медным проводникам, проходящим через отверстия в нижней и верхней частях волновода, содержащего полупроводниковую пластину. Токовый импульс снимался с сопротивления Яэт и подавался на второй канал осциллографа 5. Для наблюдения влияния постоянного магнитного поля на пинч-эффект сосуд Дьюара с образцом помещался между полюсами электромагнита (см. рис. 1, поз. 23).

При отсутствии внешнего импульсного электрического поля (рис. 2, кривая 2) СВЧ-импульс магнетрона (рис. 2, кривая 1) имел постоянный уровень и сигнал удвоенной частоты не наблюдался.

Длительность импульса напряженности электрического поля, создающего неоднородное распределение электронов в полупроводниковом образце (рис. 2, кривая 2), менялась от 0.1 до 10 мкс. Частота повторения импульсов, создающих пинч-эффект, составляла около 100 Гц. Создание в полупроводниковом образце импульсов тока с амплитудой, близкой к критическому току пинч-эффекта, приводило к появлению на выходе конической вол-новодной секции высокочастотного тракта импульса второй гармоники (рис. 2, кривая 3).

На рис. 3 представлены зависимости коэффициента преобразования СВЧ-мощности от напряженности электрического поля для трех значений длин волн основной гармоники при толщине пластины 80 мкм. Максимальное значение модуля коэффициента преобразования СВЧ-мощности для длины волны Х = 7.6 мм в области пинч-эффекта равно 4 %. С ростом частоты задающего СВЧ-генератора коэффициент возрастал и достигал максимального значения 16 % при длине волны Х = 2 мм. Приведенные зависимости имеют резко выраженный максимум. Наличие такого максимума связано с ростом коэффициента отражения электромагнитной волны от полупроводникового слоя при пинч-эффекте.

ВАХ образца при пинч-эффекте представлена на рис. 4. Значения электрического поля, при которых наблюдалась нелинейная область ВАХ, соответствуют теоретической кривой при скорости поверхностной рекомбинации, равной 50 м/с [4].

Для экспериментальной проверки расчетных данных по отражению волны от слоя

Рис. 3 Рис. 4

Р

1 1—1

/

1 1 1 1

Р

0 2 4 6 t, мкс

1

2

1 \ 1

0 2 4 6 t, мкс

А 3

Т 1 , У-1

0 2 4 6 t, мкс Рис. 2

Рис. 5

полупроводника, находящегося в состоянии пинч-эффекта, и анализа зависимости коэффициента преобразования СВЧ-мощности от напряженности электрического поля были проведены измерения мощностей прошедшей и отраженной от образца волн (рис. 5, X = 7.6 мм). Из сопоставления ВАХ на рис. 4 с зависимостями отраженной и прошедшей через образец СВЧ-мощностей следует, что в области электрического поля, приводящего к появлению пинч-эффекта, возникает резкое изменение отраженной СВЧ-мощности. Увеличение отраженной от образца СВЧ-мощности приводит к уменьшению напряженности электрического поля в образце и к соответствующему уменьшению степени сжатия носителей заряда, определяющей нелинейный процесс генерации гармоник. С ростом частоты СВЧ-сигнала выполняются условия плазменного резонанса (для испытанного образца этот эффект регистрировался при Х = 2 мм). Дальнейшее уменьшение длины волны должно приводить к увеличению коэффициента преобразования мощности г|.

Теоретические зависимости тока от напряженности электрического поля имеют S-образную форму [4], однако в условиях эксперимента такие зависимости не наблюдались. Как отмечалось в [5], появление области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) при пинч-эффекте связано с определенным соотношением между скоростью поверхностной рекомбинации, временем объемной рекомбинации и толщиной полупроводникового образца. С ростом скорости поверхностной рекомбинации растет неоднородность концентрации носителей заряда в области ОДП, что приводит к росту коэффициента преобразования мощности По данным работы [5] скорость поверхностной рекомбинации в антимониде

индия может изменяться от 50 до 106 м/с в зависимости от качества обработки поверхности полупроводника. Следовательно, для увеличения коэффициента преобразования СВЧ-мощности необходимо создать максимальную скорость поверхностной рекомбинации на гранях образца.

На основе проведенных экспериментальных исследований создана конструкция умножителя частоты. Устройство содержит четырехплечее соединение волноводов с металлическими поршнями, в диагональной плоскости которого размещена полупроводниковая пластина антимонида индия электронного типа, содержащая концентрационную неоднородность при пинч-эффекте. Использование четырехплечего соединения волноводов и размещение полупроводниковой пластины в месте их соединения позволили уменьшить коэффициент отражения и повысить эффективность взаимодействия волны с полупроводниковой средой. Металлические поршни отражают прошедшую через образец СВЧ-волну, увеличивая мощность в пластине и эффективность преобразования частоты.

Нелинейное взаимодействие волны с полупроводником, находящимся в состоянии пинч-эффекта, может приводить не только к умножению частоты, но и к ее некратному преобразованию. Реализация данного подхода позволила создать конструкцию преобразователя частоты в миллиметровом диапазоне длин волн. Преобразователь частоты содержит трехплечее соединение входного и гетеродинного волноводов, в месте их соединения размещена полупроводниковая пластина, к которой приложено электрическое поле, создающее концентрационную неоднородность.

На основе полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.

1. В результате роста коэффициента отражения электромагнитной волны мощность СВЧ-поля в пластине уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента преобразования мощности. С уменьшением длины волны уменьшается модуль коэффициента отражения СВЧ-мощности от полупроводника [5], что приводит к росту эффективности процесса преобразования мощности.

2. Создание в полупроводнике скорости поверхностной рекомбинации, превышающей

2

10 м/с [6], может привести к значительному росту коэффициента преобразования мощности.

3. Использование четырехплечего соединения волноводов позволяет уменьшить коэффициент отражения волны, повысить СВЧ-мощность в полупроводником образце и увеличить степень неоднородности носителей заряда при пинч-эффекте.

4. Высокое значение коэффициента преобразования СВЧ-мощности ц, полученное в результате экспериментального исследования эффекта преобразования частоты при пинч-эффекте, делает возможным создание эффективных умножителей частоты миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Список литературы

1. Брандт А. А., Тихомиров Ю. В. Плазменные умножители частоты. М.: Наука, 1974. 207 с.

2. Ерохин Н. С., Захаров В. Е. Генерация второй гармоники при падении электромагнитной волны на неоднородную плазму // ЖЭТФ. 1969. Т. 56. Вып. 1. С. 179-185.

3. Ерохин Н. С., Моисеев С. С. Вопросы теории линейной и нелинейной трансформации волн // Усп. физ. наук. 1973. Т. 109. Вып. 2. С. 225-258.

4. Антонов В. В., Кац Л. И. Температурно-электрическая неустойчивость n-InSb в постоянном электрическом поле // Физика и техника полупроводников. 1982. Т. 16. Вып. 6. С. 1050-1053.

5. Антонов В. В. Отражение СВЧ-колебаний от плазменного слоя, содержащего управляемую концентрационную неоднородность носителей заряда // Физика и техника полупроводников. 1985. Т. 19. Вып. 6. С. 1012-1016.

5. Свердлова А. М. Поверхностные явления в полупроводниках / СГУ. Саратов, 1985. 81 с.

V. V. Antonov, V. A. Kolomeycev

Saratov state technical university

Experimental study of the frequency transformation of millimeter range UHF radiations under pinch-effect

Results of experimental studies of the frequency multiplication of electromagnetic radiation in the millimeter waveguide with a semi-conductor plate-type indium antimonide, located in a position to pinch-effect. It is shown that the frequency multiplication factor substan-tially depends on the wavelength.

Plasma, semiconductor, pinch-effect, frequency multiplying, UHF-radiation

Статья поступила в редакцию 2 марта 2010 г.