Применение гальваномагнитных явлений в полупроводниках для создания приборов и устройств СВЧ диапазона - Учебное пособие

Применение гальваномагнитных явлений в полупроводниках для создания приборов и устройств СВЧ диапазонаПомимо измерения мощности СВЧ излучения все возрастающее значение приобретает исследование структуры электромагнитного поля, то есть измерение напряженностей электрического и магнитного компонентов поля как функций от координат точки наблюдения. Особую важность исследование структуры электромагнитного поля приобрело в связи с появлением новых разделов радиоэлектроники, таких как радио-интроскопия и радио- Значительные математические трудности определения тонкой структуры электромагнитного поля, особенно в фокальной области и ближней зоне, выдвигают на первый план экспериментальные методы исследования. Возможно даже, что создание хороших экспериментальных методов анализа тонкой структуры поля канализирующих, излучающих и приемных систем будет способствовать и теоретическому решению вопроса. По сравнению с некоторыми другими методами гальваномагнитные датчики имеют явные преимущества [1]: 1. линейная связь ЭДС Холла с величиной мощности электромагнитного излучения до весьма больших уровней мощности;Рассмотрим теорию эффекта Холла по результатам работы [2] в условиях параболичности зон и при малой концентрации примесей, когда доминирующим механизмом рассеяния является рассеяние на тепловых колебаниях решетки (фононах). 0 ? h - постоянная Планка, k - волновой вектор носителя заряда, f - функция распределения носителей заряда, f0 - функция распределения носителей заряда в стационарном состоянии, ? - энергия носителя заряда, ? - некоторая функция энергии носителя заряда, ? - время релаксации носителя заряда, ? v - скорость носителя заряда. Решение системы уравнений значительно упростится, если предположить, что скорость поверхностной рекомбинации равна нулю, т.е., что поперечная составляющая электрического поля равна нулю, поскольку при отсутствии рекомбинации носителей заряда на поверхности изменения количества зарядов после их разделения не происходит. Если полупроводник, по которому протекает электрический ток, поместить в магнитное поле, то при одинаковых скоростях электронов влияние поперечного холловского поля, действующего на электроны с силой EEY , компенсировалось бы магнитной составляющей силы Лоренца e v ? B]. Допустим, что в полупроводнике присутствуют носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), и что энергия носителей заряда пропорциональна квадрату их импульса (приближение сферических и изоэнергетических поверхностей), и что ток в направлении y равен нулю (скорость поверхностной рекомбинации на гранях образца, перпендикулярных оси y , равна нулю).Датчик ЭДС Холла характеризуется следующими параметрами: 1. вольтовая чувствительность, численно равная ЭДС Холла UH в магнитном поле с индукцией в 1 Тл ? = B ; В этом отношении вместо датчика из Bi, казалось бы, выгоднее использовать датчик из кремния Vш = 3?10-6 В).Однако, здесь мы впадаем в другую крайность: (изза очень большого сопротивления кремниевого датчика, порядка 106 Ом, трудно обеспечить помехоустойчивость усилителя. Важным параметром датчика Холла является коэффициент использования ? , равный отношению мощности Рвых , выделяемой датчиком во внешней нагрузке, включенной в цепи между холловскими выводами, к мощности Рвх , подводимой к датчику , Мощность Рвх , рассеиваемая на сопротивлении rt датчика между токовыми выводами, определяется током I в датчике по формуле В режиме холостого хода изменение чувствительности датчика с температурой за счет изменения подвижности можно скомпенсировать, поддерживая постоянным ток через датчик.H электромагнитного поля дает возможность использовать эти компоненты для получения эффекта Холла в полупроводниках, причем ЭДС Холла будет являться мерой потока мощности. Датчик размером (5?4?0,1) мм3, установленный в волноводе 3 см-диапазона обеспечивал чувствительность 0.1Bm , датчик (9?3?00,1)мм3 в резонаторном ваттметре обеспечивал чувствительность 10-3 В/Вт. Кроме того, скин-эффект в датчиках Холла необходимо учитывать при расчете температурного режима датчиков, так как мощность, рассеиваемая датчиком Холла, выделяется лишь в объеме скин-слоя и при работе в импульсном режиме объем скин-слоя датчика Холла может перегреваться, если отвод тепла от него в окружающую среду и внутрь датчика будет недостаточен. Рассмотрим теперь вопрос о времени релаксации носителей заряда в датчике Холла, или, что то же самое, об инерционности датчиков Холла, так как время релаксации носителей заряда - это время, за которое ток через датчик достигает стабильного значения после выключения внешнего поля. К ним относятся создание установки для исследования эффекта Холла в полупроводниках, в частности, исследование чувствительности датчиков ЭДС Холла, выполненных из различных полупроводниковых материалов и с помощью различных технологий, частотной зависимости чувствительности, степени возмущения датчиком исследуемого электромагнитного поля, процессов старения датчиков и т. д.

Оглавление.

Введение.........................................................................4 1.Глава первая. Гальваномагнитные явления в полупроводниках...........................................................6

1.1. Эффект Холла в полупроводниках...................6 1.2. Магниторезистивный эффект или эффект Гаусса. ......................................................................11

ГЛАВА 2. Некоторые вопросы разработки устройств на основе гальваномагнитных явлений.....................16

2.1.Параметры устройств и обоснование выбора полупроводниковых материалов для их изготовления............................................................16 2.3. Технология изготовления кристаллических датчиков Холла........................................................36 2.4. Экспериментальное исследование параметров пленочных датчиков Холла, используемых для измерения магнитных полей..63 2.5.Термостабильный зонд из кристаллических датчиков Холла для измерения напряженности продольных магнитных полей. ..............................70 2.6. Высокочувствительный охлаждаемый датчик Холла из сурьмянистого индия для измерения магнитных полей.....................................................73

Глава 3. Приборы и устройства, использующие гальваномагнитные эффекты в диапазоне СВЧ. ......77

3.1 Эффект Холла в диапазоне СВЧ......................77 3.2 Решение уравнения движения носителей зарядов для гармонических полей.........................79 3.3 Ток смещения и поверхностный эффект.......83

2

3.4 Особенности использования эффекта Холла в диапазоне СВЧ.........................................................85 3.5 Основные характеристики датчиков Холла в диапазоне СВЧ.........................................................87 3.6. Некоторые вопросы методики измерения эффекта Холла на СВЧ. ..........................................96 3.7 Карманный дозиметр СВЧ излучения...........100 3.8 Ваттметр на эффекте Холла для контроля больших уровней импульсной проходящей мощности СВЧ.......................................................106 3.9 Способы повышения чувствительности датчиков Холла на СВЧ........................................110 3.10 Измеритель модулированной плотности потока мощности СВЧ..........................................114 3.11 Миниатюрный измеритель плотности потока мощности СВЧ диапазона на основе пленочных датчиков Холла......................................................116 3.12 Автоматический регистратор проходящей мощности СВЧ диапазона на эффекте Холла.....117 3.13 Измеритель проходящей мощности модулированного СВЧ излучения с регулируемой чувствительностью................................................118 3.14 Использование эффекта магнитосопротивления для измерения проходящей мощности СВЧ.......................................................122

ГЛАВА 4. Дифракция электромагнитных волн на датчике Холла............................................................128

4.1 Решение задачи о дифракции электромагнитных волн СВЧ диапазона на датчике Холла......................................................................128

3

4.2 Расчет токов и полей на поверхности датчиков Холла и экспериментальное исследование их параметров.............................................................132 4.3 Экспериментальная проверка частотной зависимости чувствительности датчиков Холла 135 4.4 Экспериментальная проверка точечности датчиков Холла......................................................138 4.5 Экспериментальное исследование распределения плотности потока мощности СВЧ в волноводе и в ближней зоне рупора двухэлектродным датчиком Холла......................143 4.6 Поляриметр СВЧ диапазона...........................150

Глава 5. Радиовидение..............................................155 5.1. Основная проблема радиовидения................157 5.2. Блок-схема системы радиовидения. .............158 5.3. Многоэлементная структура на датчиках Холла......................................................................160