Электронный транспорт, детектирование и эмиссия терагерцового излучения в полупроводниковых гетероструктурах

• Автор: Орлов, Михаил Львович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Введение .

Глава 1. Основные идеи н результаты экспериментов по генерации и

детектированию ГГц излучения полупроводниковыми структурами.

1.1. Общие принципы генерации излучения терагерцового диапазона частот 0, ТГц объемными полупроводниковыми элементами

1.1.1. Тепловое излучение решетки кристалла.

1.1.2. Генерация терагерцового излучения кристаллом при возбуждении его лазерными импульсами фемтосекундной длительности
1.1.3. Излучение на переходах зона проводимости основное состояние мелкой ионизованной примеси
1.1.4. Экспериментальное наблюдение генерации излучения в каскадных структурах и сверхрешетках в терагерцовом диапазоне частот

1.2. Техника и методы детектирования излучения ТГц диапазона частот.

1.2.1. Охлаждаемые широкополосные приемники на основе объемных полупроводниковых элементов.

1.2.2. ЦР фильтры и спектры излучения источников ТГц диапазона частот

1.3. Новые принципы использования транзисторных полупроводниковых гстсроструктур в устройствах приема и генерации излучения микроволнового излучения.
1.3.1. Освоение ТГц области частот гетсробиполярным транзистором
1.3.2 Наблюдение эффекта отрицательного дифференциального сопротивления на выходных характеристиках полевого транзистора
1.3.3 Принципы генерации и детектирования электромагнитных волн, основанные на использовании коллективных явлений в плазме нолевого транзистора.
Глава 2. Особенности транспортных характеристик транзисторных гстсрострукту р с
двумерным электронным каналом.
2.1. Общее описание структур и низкополевые характеристики транзисторных гетерокомпозиций
2.1.1. Образцы транзисторных структур с электронным двумерным каналом, использованные в эксперименте, и технология их приготовления
2.1.2. Особенности низкополевого транспорта двумерных электронов в исследуемых образцах, температурные и магнитополевые зависимости поправок к проводимости
2.2. Особенности выходных характеристик короткоконального полевого
II транзистора при разогреве электронов в канале
2.2.1. Наблюдение эффекта ОДС в короткоканальном транзисторе.
2.2.2. Механизмы формирования низкополсвого отрицательного сопротивления на ВАХ корогкоканального II гетеротранзистора.
а Модель межслосвого переноса электронов в структуре
б Модели формирования транспортного канала в барьерном слое.
в Модель неоднородного транспортного канала.
Основные результаты главы
Глава 3. Детектирование ТГц излучения короткоканальными полевыми
I транзисторами.
3.1. Методика исследования детектирования терагерцового излучения транзистором
с двумерным газом электронов.
3.2. Исследования детектора, выполненного на полевом транзисторе
II, в терагерцовом диапазоне частот.
3.2.1. Зависимость детектируемого сигнала от величины пропускаемого тока
3.2.2. Зависимости фотоотклика гранзистора от напряжения на затворе
3.2.3. Частотные характеристики детектора на транзисторе.
3.3. Теоретические модели детектирования электромагнитного сигнала полевым транзистором
3.3.1. Эффект детектирования сигнала и плазменная модель ДьяконоваШура
3.3.2. Особенности квазистатической модели детектора, выполненного на базе короткоканального полевого транзистора.
а Диоднощслсвая модель детектора на основе полевого транзистора
б Особенности характеристик детектора, связанные с градиентными
нелинейностями, реализуемыми в канале транзистора.
3.3.3. Расчет высокочастотного отклика нолевого транзистора на основе его выходных характеристик
а ВВЧ НЕМТ.
б ВВЧ .7.3I НЕМТ
Основные результаты главы 3.
Глава 4. Генерация ТГц излучения полупроводниковыми гетероструктурами
4.1 Спектроскопия с использованием фильтров на циклотронном резонансе ЦР 0 4.2. Спектроскопия терагерцового излучения II транзистора с
использованием фильтров на циклотронном резонансе.
4.2.1. Наблюдение эффекта резонансной генерации в излучении транзистора.
4.2.2. Механизмы генерации тсрагерцового излучения транзистором.
Основные результаты главы 4.
Глава 5. Использование двумерных сверхрешсток в планарных транзисторных структурах для генерации герагерцового излучения
5.1. Двумерные квантовые сверхрешетки с неаддитивным законом дисперсии
минизон, блоховская генерация.
5.2. Особенности токовых нестабильностей в двумерной СР конечной ширины.
Основные результаты главы 5.
Заключение
Литература


Ясно, что наблюдаемые немонотонные зависимости фотоотклика транзистора от прикладываемых напряжений могут быть обусловлены не только проявлением резонансного эффекта в электронной плазме, но и просто изменением вклада более традиционных механизмов нелинейности, также приводящих к эффекту выпрямления ТГц излучения. Это связано с тем, что изменение напряжения на затворе транзистора не только меняет концентрацию электронов резонансную плазменную частоту в транспортном канале, но и меняет вдоль длины канала поперечную компоненту ноля, определяющую, в свою очередь, некоторые характеристики транспортного канала транзистора. Учет особенностей включения транзисторов по сравнению с диодами в схему детектирования высокочастотного сигнала даже на примере простейшей квазистатической модели транзистора показывает, что проявление в транзисторных структурах специфических эффектов, например, таких как перекрытие и отсечка транспортного канала, обусловливающих появление в структуре неоднородного поперечного квазнстационарного электрического поля, нарастающего от истока к стоку, приводит к появлению в системе дополнительных нелинейностей градиентного типа . Нелинейности градиентного типа, связанные с существованием градиента вдоль транспортного канала поперечной компоненты электрического поля в транзисторе, обусловливают изменение характеристик канала и носителей заряда в нем вдоль его длины. Допустимые координатная зависимость ширины двумерного транспортного канала, энергетического спектра электронов, их равновесной концентрации и подвижности явгяются прямым следствием координатной зависимости в условиях протекания тока, поперечной компоненты электрического поля разности потенциалов между затвором и каналом при смещении от истокового к стоковому контакту транзистора. СВЧ детектора от прикладываемых напряжений. Проведенный анализ квазистатичсского отклика транзистора по его выходным характеристикам показал хорошее качественное совпадение результатов теоретического анализа с высокочастотным экспериментом, что позволяет предположить, что физические явления, ответственные за особенности, наблюдаемые на выпрямляющих характеристиках системы, могут быть обусловлены изменением вклада нерезонансных механизмов нелинейности в общую нелинейность системы вследствие изменения полей в канале транзистора. Данный вывод подтверждается и исследованиями частотных зависимостей вольтваттной чувствительности образна ,. Поиск плазменного резонанса в системе надежнее всего вести, основываясь на частотных зависимостях выпрямленного сигнала, описывающих дисперсионные характеристики системы при постоянных значениях параметров транзисторной структуры. Роль частотной дисперсии в формировании вида изучаемых кривых проявляется на частотах свыше 0 ГГц, что следует из простого сравнения зависимостей ВВЧ от Г1с, снятых на разных частотах принимаемого сигнала. Максимум ВВЧ смещается, но с. Результаты измерений демонстрируют наличие сильной частотной дисперсии в системе в указанном диапазоне частот без проявления явных резонансных особенностей в диапазоне частот ГГц, соответствующих максимальным значениям ВВЧ транзистора от напряжения на затворе. Полученные результаты позволяют сделать вывод о доминирующей роли нерезонансных механизмов нелинейности в формировании особенностей, наблюдаемых на экспериментальных кривых . Искомая резонансная плазменная частота вероятнее всего лежит в более высокочастотной области спектра за пределами рабочего диапазона используемой ЛОВ. Четвертая глава диссертации посвящена проблеме генерации ТГц излучения полевыми транзисторами. Основная направленность проводимых по данной проблеме многими авторами исследований связана с экспериментальной проверкой модели ДьяконоваШура 8, предсказывающей возможность эффективной генерации транзистором электромагнитного излучения в ТГц области спектра, обусловленной возбуждением в транзисторе двумерных плазменных волн при пропускании тока в канале. В связи с этим одной из рассматриваемых нами задач являлось применение более эффективной, чем использованная ранее, методики приема ТГц излучения и выделения узкополосных резонансных линий на фоне широкополосного излучения.