Новые механизмы возникновения магнито-управляемого отрицательного дифференциального сопротивления в полупроводниковых приборах и создание генераторов с регулируемыми характеристиками

• Автор: Семёнов, Андрей Андреевич
• Шифр специальности: 05.27.01, 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 333 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1. МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ С ВОЛЬТАМПЕРНСЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ, УПРАВЛЯЕМОЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ, И НЕЛИНЕЙНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ.

П. Отрицательное дифференциальное сопротивление в устройствах

с магнитиодиодом в цепи обратной связи

1.1.1. Отрицательное дифференциальное сопротивление динамического характера в автогенераторе с магнитодиодом в

цепи обра тной связи.

1.1.2. Режимы работы генератора релаксационных колебаний с магнитодиодом в цепи обратной связи.
1.2. Активные магнитоуправляемыс двухполюсники с отрицательным дифференциальным сопротивлением и управляемой магнитным полем вольтампериой характеристикой 5типа.
1.2.1. Магни готиристор с управляемой магнитным полем низкоо.чной ветвыо вольтамперной характеристики
1.2.2. Генератор релаксационных колебаний на магнитотиристоре с управляемой низкоомной ветвью ВАХ
1.2.3. Магнитодинистор с мультистабильной вольтампер ной характеристикой, управляемой магнитным полем.
1.2.4. Сложные режимы работы нелинейной автогенерирую
щей системы с магнитодинистором.
1.3. Отрицательное дифференциальное сопротивление активного
магнитоуправляемого двухполюсника с вольтамнерпой характеристикой Лтипа и нелинейные режимы работы автогенерирующих схем на его основе.
1.3.1. Магнитоуправляемый активный двухполюсник с отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ
Атипа
1.3.2. Автогенератор на основе магнитоуправляемого активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ Атипа
1.4. Сложная нелинейная динамика генератора на основе магнитоуправляемого активного двухполюсника е отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ Лтипа.
1.4.1. Обоснование выбора эквивалентной схемы генератора па основе магиитоуправляемого активного двухполюсника .
1.4.2. Математическая модель генератора на основе магнитоуправляемого активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением и ВАХ Лтипа
1.4.3. Поиск состояний равновесия динамической системы генератора и исследование их устойчивости.
1.4.4. Динамика исследуемого генератора и результаты численного моделирования
1.4.5. Сечение Пуанкаре аттрактора нелинейной динамической системы исследуемого генератора.
1.4.6. Расчет спектра ляпуновских характеристических показателей нелинейной динамической системы исследуемого генератора.
1.4.7. Обсуждение физической природы возникновения хаоса в нелинейной динамической системе исследуемого генератора.
1.4.8. Краткие выводы
1.5. Температурная зависимость сложных колебательных режимов работы автогенератора на основе магиитоуправляемого активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивление и ВАХ Атипа.
1.6. Выводы.
2. ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ, ПРИБОРАХ С МУЛЬТИСТЛБИЛЬНОЙ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
2.1. Механизм реализации активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением и Атипов
на вольтамперной характеристике.
2.1.1. Активный двухполюсник с вольтамперной характеристикой, обладающей участками отрицательного
дифференциального сопротивления и А типов
2.1.2. Автогенератор на основе активного двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением
и ВАХ, обладающей участками и А типов.
2.2. Активный двухполюсник на основе структуры металлокиселокиселметалл с вольтамперной характеристикой, обладающей несколькими участками отрицательного дифференциального сопрогивления Атипа.
2.3. Выводы.
3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГЕНЕРАТОРАХ НА ДИОДАХ ГАННА И ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО СИГНАЛА
3.1. Перестройка частоты низкоразмерного СВЧ генератора на
диоде Ганна внешним магнитным полем
3.2. Особенности работы генераторов СВЧ на диоде Ганна при воздействии на них синхронизирующего СВЧсигнала
3.2.1. Модуляция выходного сигнала СВЧ генератора на диоде Ганна при воздействии на него внешнего СВЧ
сигнала
3.2.2. Синхронизация мод в СВЧ генераторах на диодах Ганна
3.3. Теоретическое исследование процессов в синхронизированном генераторе на диоде Ганна.
3.3.1. Обоснование выбора эквивалентной схемы синхронизированного генератора на диоде Ганна
3.3.2. Математическая модель синхронизированного генератора
на диоде Ганна
3.3.3. Результаты численного моделирования
3.4. Выводы.
г
4. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
4.1.Изменение нелинейной составляющей реактивности диода
Ганна в зависимости от режима его работы
4.2. Изменение вида вольтамперной характеристики диода Ганна
в зависимости от режима его работы на СВЧ.
4.3.Индуктивность, перестраиваемая электрическим полем, с кремниевой нелинейной структурой прптина в качестве регулируемого сердечника
4.4. Автогенератор с резонансным контуром, включающим индуктивность, перестраиваемую электрическим полем
4.5.Особенности управления высокочастотными сигналами с
помощью диодных устройств.
4.6.Частотная модуляция высокочастотного сигнала в резонансном контуре, включающем в свой состав управляемую электрическим полем индуктивность.
4.7. Выводы.
5. НОВЫЕ ТИПЫ УСТРОЙСТВ, СОЗДАННЫЕ НА ОСНОВЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ С УПРАВЛЯЕМЫМИ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
5.1. Устройства защиты, контроля и ограничения доступа на основе полупроводниковых структур с управляемыми магнитным полем характеристиками
5.1.1. Система защиты микроэлектронных устройств от несанкционированного доступа и копирования.
5.1.2. Система ограничения доступа.
5.2. Измеритель индукции магнитного поля на основе магниточувствительных интегральных схем
5.3. Устройство управления мдиодным прибором
5.4. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Исследована экспериментально обнаруженная возможность изменение вида вольтамперной характеристики диода Ганна, включенного в электродинамическую систему, в зависимости от режима его работы на СВЧ. Теоретически и экспериментально исследована возможность создания управляемого электрическим полем индуктивного элемента включающего структуру, выполняющую функцию перестраиваемого сердечника. Теоретически и экспериментально исследованы особенности управления СВЧмощностыо рпдиодными устройствами. Описано искажение формы выходного СВЧсигиапа, обусловленное инерционными процессами в системе диод схема управления. В пятой главе описаны конструкции устройств защиты, контроля и ограничения доступа на основе полупроводниковых структур с управляемыми магнитным полем характеристиками. Представлен измеритель индукции магнитного поля на основе термонезависимых магниточувствительных интегральных схем и магнитоуправлясмых активных двухполюсников, не уступающие по своим эксплуатационным параметрам известным моделям промышленных тесламетров. Описан способ повышения быстродействия рлдиодных СВЧустройств и представлена реализующая предложенный способ схема управления, принцип работы которой основан на обнаруженных закономерностях. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. Магнитодиодные структуры помимо разнообразного применения в качестве датчиков магнитного поля могут также использоваться для создания генераторов автоколебаний и усилителей 81. Обычно такие устройства реализуются с использованием магнитодиодов с 5 или образными вольтампериыми характеристиками, обладающими участками с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное дифференциальное сопротивление в кремниевых магнитодиодах чаще всего возникает вследствие сильной зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда от уровня инжскции через рппереход или величины концентрации носителей заряда 1, 2. Для обеспечения такой зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда кремний легируется примесями, обеспечивающими возникновение глубоких уровней на поверхности или в объеме полупроводника. Следует отметить, что, помимо сложной технологии изготовления магнитодиодов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, существует весомая причина, затрудняющая их широкое использование в качестве активных элементов генераторов, заключающаяся в том, что, с ростом величины приложенного магнитного поля и температуры окружающей среды участок отрицательного сопротивления на ВАХ таких приборов уменьшается вплоть до полного исчезновения 1. С другой стороны, ВАХ магнитодиодов, имеющих участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением, носят статический характер, в то время как генерация и усиление сигнала может осуществляться также приборами, участок отрицательного дифференциального сопротивления на характеристиках которых возникает динамически и обусловлен действием механизма обратной связи 3. Поэтому представляет интерес исследование новых возможностей для создания генераторов автоколебаний на магнитодиодах, используемых в качестве элементов, осуществляющих обратную связь по магнитному полю. Основным свойством магнитодиодов, не имеющих участка отрицательного дифференциального сопротивления на вольтамперной характеристике, является уменьшение тока через диод при увеличении индукции приложенного постоянного магнитного поля. Типичные семейства зависимостей тока через серийный кремниевый магнитодиод КД1Д от величин приложенного напряжения а и индукции внешнего постоянного магнитного поля б представлены на рис. Если магнитодиод поместить в поле электромагнита, ток в обмотках которого пропорционален току через диод, то при увеличении тока через диод будет возрастать магнитное поле, что, в свою очередь, приведет к уменьшению тока через диод и уменьшению магнитного поля. При соответствующем выборе фазовых и амплитудных соотношений процесс приобретт периодический характер. I, мА , мЛ
Рис. Зависимости тока через магнитодиод а от величины приложенного напряжения, б от величины индукции внешнего постоянного магнитного ПОЛЯ. На рис.