АННОТАЦИЯ к научно-техническому отчету

АННОТАЦИЯ
к научно-техническому отчету
о выполнении государственного контракта № 16.740.11.0509 от 16 мая 2011г.
по НИР «Исследования и разработка полупроводниковых
наногетероструктур для смесителей радиосигналов систем микро- и
наноэлектроники»
Руководитель: Шашурин В.Д.
Целью НИР является улучшение характеристик микро- и наноэлектронных
приемников СВЧ и КВЧ диапазона путем использования многослойных
полупроводниковых наноразмерных резонансно-туннельных А3В5
гетероструктур в смесителях радиосигналов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
основные задачи:
- анализ мировых достижений, изучение литературных источников и
патентов по исследуемой проблеме.
разработка
методики
выбора
формы
вольт-амперной
характеристики (ВАХ) нелинейного элемента, оптимальной для
требуемого вида преобразования радиосигналов;
разработка
методики
конструкторско-технологического
проектирования многослойных наноразмерных А3В5 резонанснотуннельных структур с заданной формой вольт-амперной характеристики;
- проектирование и изготовление экспериментальных образцов
резонансно-туннельных диодов (РТД) для смешивания радиосигналов.
Измерение их статических характеристик;
- проектирование и изготовление макетов смесителей на основе РТД
и ДБШ для проверки теоретических выводов;
- измерение параметров смесителей;
- обобщение и оценка полученных результатов.
В радиотехнических системах передача информации осуществляется
путем частотного преобразования сигналов: в радиопередающем тракте модуляцией несущей и повышающим преобразованием частоты, в
радиоприемном – переносом спектра частот сигнала вниз и его
демодуляцией. Нелинейные преобразования сигналов сложны для анализа,
поскольку на выходе устройств кроме полезного сигнала возникает
множество комбинационных составляющих, уровень которых зависит от
вида ВАХ нелинейного элемента, схемотехнического решения, количества
входных сигналов и соотношения их частот и амплитуд.
Современные приемники сантиметровых и миллиметровых волн
строятся по схеме с преобразованием частоты. В таких приемниках
характеристики нелинейного входного устройства – преобразователя частоты
(смесителя) - вносят основной вклад в чувствительность,
помехоустойчивость и неискаженную передачу информации всей системой.
Основным элементом смесителя, определяющим его технические
характеристики, является нелинейный элемент — диод или транзистор. В
диапазонах СВЧ и КВЧ в смесителях применяют, как правило, диоды с
барьером Шотки (ДБШ). Принципиальным свойством ДБШ является
экспоненциальная форма вольтамперной характеристики, что обусловливает
появление в спектре выходного сигнала смесителей паразитных
составляющих и побочных каналов приема. Помимо снижения
помехоустойчивости побочные каналы приема снижают чувствительность
приемника за счет преобразованных шумов. Экспоненциальная форма ВАХ
ДБШ обуславливает также высокий уровень нелинейных искажений, что
ограничивает динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Для
частичного устранения этих недостатков применяют балансные смесители с
двумя, четырьмя и более диодами, работающие при повышенной мощности
гетеродина. Для распределения мощностей сигнала и гетеродина на каждый
диод применяют направленные ответвители и согласующие трансформаторы,
что накладывает ограничения на диапазон рабочих частот смесителя и
частотный спектр сигнала, увеличивает массу и габариты конструкции. В
диапазоне миллиметровых волн технически реализуемы смесители с одним
либо двумя диодами.
Таким образом, использование диодов Шотки ограничивает
динамический диапазон и полосу частот полезного сигнала,
чувствительность и помехоустойчивость радиоприемной системы.
Перспективным техническим решением для повышения качества
смесителей радиосигналов является применение РТД на базе многослойных
полупроводниковых наноразмерных гетероструктур А3В5, работающего на
основе квантовых принципов токопереноса. Одним из преимуществ РТД
является возможность управления формой ВАХ путем подбора толщин (от
единиц до десятков нм) и химического состава слоёв гетероструктуры. Малое
время туннелирования электронов (порядка 10-14 с) обеспечивает высокое
быстродействие диода и подавление дробовых шумов.
Реализация более пологой ВАХ РТД по сравнению с экспоненциальной
ВАХ ДБШ способствует уменьшению амплитуд паразитных составляющих в
спектре выходного сигнала смесителя. Это позволит снизить уровень
искажений сигналов, уменьшить уровень шума за счет уменьшения влияния
побочных каналов приема и уровня преобразованных шумов.
В связи с изложенным, представляется актуальными и имеющим
важное научное и практическое значение исследование свойств
многослойных полупроводниковых наноразмерных гетероструктур А3В5 с
технологически доступными формами ВАХ, предназначенных для
смесителей на базе РТД, выбор режимов их работы и схем, позволяющих
улучшить характеристики смесителя и приемника на его основе.
Технологический процесс изготовления РТД включает в себя типовые
операции изготовления элементов на технологической базе
микроэлектроники. Полупроводниковые слои наноразмерной толщины
получают, как правило, методом молекулярно-лучевой эпитаксии, топологию
формируют известными методами нанесения тонких пленок и
фотолитографией.
Результаты предварительных исследований позволяют ожидать, что:
- расширится динамический диапазон, чувствительность,
помехоустойчивость приемника на РТД по сравнению с ДБШ благодаря
выбору формы ВАХ;
- упростится конструкция смесителя за счет сокращения числа диодов,
фильтров и исключения гибридных соединений.
Квантоворазмерные принципы токопереноса позволяют применять
устройства на основе РТД вплоть до диапазона ТГц. В результате
открывается возможность повышения технических характеристик
радиолокационных систем, плотности потоков информации систем
радиосвязи и телекоммуникаций.