Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 621.3.016.35;621.3.088.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Елементи та пристрої автоматики на базі потенційно-нестійких двозатворних напівпровідникових структур Шоттки

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Салех М М Журбан

Вінниця 2007

Загальна характеристика

Актуальність теми. Завдяки використанню досягнень сучасної технології й елементної бази в даний час є значні успіхи в створенні різноманітних пристроїв автоматики. Однак часто одержання високих технічних характеристик досягається за рахунок збільшення їх складності, габаритів, маси і вартості. Для подальшого підвищення якості необхідно здійснювати розробку теорії побудови і пошук нових принципів фізичної реалізації пристроїв автоматики, що відрізняються багатофункціональністю, малим споживанням енергії, високою чутливістю, стабільністю характеристик, підвищеною швидкодією і надійністю. На сучасному етапі розвитку елементної бази до перспективних відносяться напівпровідникові прилади і пристрої з негативним диференціальним опором, що пояснюється рядом їх переваг.

Елементи та пристрої автоматики, розроблені на основі приладів з негативним диференціальним опором, які одержали назву “негатрони”, дозволяють одержувати швидкодію, що не завжди досягається на транзисторах. Прилади з негативним диференціальним опором також привертають увагу розробників своєю багатофункціональністю. Напрямок електроніки, що займається теорією та практикою створення і використання негатронів, одержав назву "Негатроніка" і був сформульований д.т.н., професором Філинюком М.А. у 1985 р. Значний внесок у розвиток цього напрямку внесли Лосев О.В., У. Шокли (W. Shockle), Ганн (J. B. Gunn), Л. Эсаки (L. Esaki), С.А. Гаряінов, І.Д. Абезгауз, Ф. Бенінг (F. Bening), В.П. Дияконов, А.С. Тагер, Л.Н. Степанова, О.Н. Негоденко, Ф.Д. Касимов, В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, П.А. Молчанов, В.М. Кичак, В. Рид (W. T. Read), Дил (H. Dill), В.В.Стафєєв і ін. Поява нових напівпровідникових приладів відкриває додаткові можливості для створення високоефективних елементів і пристроїв на їх основі. Одним з таких приладів є двухзатворний польовий транзистор Шоттки.

Двухзатворна напівпровідникова структура Шоттки є багатофункціональним електронним приладом, використання якої дозволяє покращити технічні параметри елементів і пристроїв автоматики, підвищити їхню ефективність і створити якісно нові елементи на її основі. Однак у даний час відсутні систематичні дослідження їх властивостей в різних схемах включення, коли реалізовані чотириполюсники можуть мати потенційну нестійкість. А ці властивості відкривають нові можливості реалізації високоефективних елементів і пристроїв автоматики, придатних для реалізації в інтегральному виді, що забезпечить широке застосування в різних системах автоматики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури Вінницького національного технічного університету згідно з планом наукових досліджень Вінницького національного технічного університету і Міністерства освіти і науки України в рамках держбюджетних тем: “Дослідження фізико-технічних процесів у багатоелектродних потенційно-нестійких структурах і розробка методів та засобів моделювання енергетично-ефективних інформаційних пристроїв на базі принципів динамічної негатроніки” (номер державної реєстрації 0102U002259); “Аналіз і синтез RLC-негатронів на базі напівпровідникових структур і створення на їх основі високоефективних інформаційних пристроїв” (номер державної реєстрації 0105U002414), і відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні "5. Нові комп'ютерні засоби та технології інформатизації суспільства".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є покращення технічних характеристик елементів і пристроїв автоматики за рахунок використання потенційно-нестійких двозатворних напівпровідникових структур Шоттки.

Для досягнення поставленої мети розв'язуються такі задачі:

1. Розробка математичних моделей чотириполюсників, реалізованих на базі двозатворних польових структур Шоттки.

2. Дослідження імітансних характеристик чотириполюсників на базі двозатворних польових структурах Шоттки в діапазоні частот при різних значеннях імітансу, що перетворюється, з визначенням областей потенційної нестійкості.

3. Дослідження робочих параметрів узагальнених перетворювачів імітансу на базі двозатворних польових структур Шоттки.

4. Розробка і дослідження індуктивних елементів на базі потенційно-нестійких двозатворних польових структур Шоттки, що є базовими елементами при створенні ряду пристроїв автоматики.

5. Розробка математичних моделей і оцінки ефективності імпедансних елементів керування на базі узагальнених перетворювачів імітансу, що використовують двозатворні польові структури Шоттки.

6. Розробка і дослідження активних фільтрів на базі двозатворних польових структур Шоттки, придатних для інтегральних технологій.

Об'єктом дослідження є процес перетворення інформаційних сигналів у спеціалізованих засобах обробки інформації з частотним поданням.

Предметом дослідження є потенційно-нестійкі двозатворні напівпровідникові структури Шоттки й елементи та пристрої автоматики на їх основі.

Методи дослідження. Використані в дисертації методи базуються на: теорії матриць для розробки узагальнених математичних моделей чотириполюсників на базі двозатворних польових структур Шоттки; теорії комфортних відображень для дослідження імпедансних характеристик; теорії перетворювачів імітансу для дослідження робочих параметрів чотириполюсників; теорії аналізу електронних схем для визначення основних параметрів елементів і пристроїв автоматики на базі потенційно-нестійких напівпровідникових структур; теорії стійкості для визначення умов забезпечення стійкості реалізованих пристроїв за умови потенційної нестійкості використовуваних елементів; теорії планування експерименту і комп'ютерного моделювання для експериментальної перевірки отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримані наступні наукові результати:

1. Вперше розроблено узагальнену імітансну математичну модель двозатворної напівпровідникової структури Шоттки, що забезпечує проведення її досліджень, як 18 узагальнених перетворювачів імітансу в частотній області при будь-яких значеннях імітансу, що перетворюється.

2. Вперше отримано аналітичні залежності робочих параметрів польових структур Шоттки в області потенційної нестійкості від частоти і значення імітансів, що перетворюються, і визначені умови реалізації на їх основі високодобротних аналогів індуктивності і керуючих елементів.

3. Одержала подальший розвиток теорія оцінки ефективності керуючих елементів на базі узагальнених перетворювачів імітансу, що використовують потенційно-нестійкі двозатворні польові структури Шоттки.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Вперше досліджено імітансні параметри 18 чотириполюсників на базі двозатворних транзисторів Шоттки, що дозволили виявити їх властивості, як узагальнених перетворювачів імітансу і визначити умови потенційної нестійкості.

2. Вперше розроблено і досліджено схему включення двозатворної потенційно-нестійкої структури Шоттки, що забезпечує реалізацію напівпровідникового еквівалента індуктивності у виді напівпровідникової мікросхеми в широкому діапазоні частот.

3. Вперше розроблено 22 схеми комбінованих динамічних негатронів на базі ПТШ2.

4. Вперше розроблено і досліджено схеми активних однокристальних фільтрів, що здатні працювати на частотах у кілька десятків гигагерц.

5. Досліджено ефективність імпедансних керуючих елементів на базі узагальнених перетворювачів імітансу використовуваних потенційно-нестійких структур Шоттки, що забезпечують у кілька разів більше значення коефіцієнта керування, порівняно з керуючими елементами на базі варикапів і р-і-n діодів.

Результати дослідження впроваджено та використовуються в НДІ Аерокосмічної інформатики НАН Азербайджанської республіки, а також у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету на кафедрі проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури при вивчені дисциплін "Основи негатроніки" та “Електронні пристрої на елементах з негативним опором”. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримано автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: розробка математичних моделей [1]; математичне моделювання граничної частоти транзисторного негатрона [2]; розробка алгоритму оцінки методичних похибок [3]; дослідження параметрів аналогу індуктивності на ПТШ [4]; розробка математичної моделі [5]; оцінка ефективності керуючих елементів на ПТШ [6]; дослідження параметрів взаємних і невзаємних фільтрів на ПТШ2 [7]; синтез схем та розробка математичних моделей напівпровідникових індуктивностей на базі ПТШ2 [8]; комп'ютерне моделювання [9]; розробка математичних моделей та комп'ютерне моделювання [10-11, 13]; синтез схем [14]; розробка структурної схеми експериментальної установки [15]; обґрунтування математичної моделі та експериментальні дослідження [16].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях: “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо-2005), (Севастополь, 2005); “Photonics-ODS 2005”, (Винница, 2005), "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування" (СПРТП-2005), (Вінниця, 2005); “МЭПП-2005”, (Баку-Сумгаит, 2005); "СВЭТ-2006"; щорічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і студентів ВНТУ (2005-2006рр.); наукових семінарах кафедри проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури ВНТУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 друкованих праць, з яких 8 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 5 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних конференцій, 3 патенти України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 68 рисунків і 36 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (163 найменування) і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 254 сторінки, з яких основний зміст викладено на 188 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі відображено актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведені відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасних досягнень в області створення елементів і пристроїв автоматики на базі напівпровідникових структур Шоттки. Зроблено класифікацію елементів і пристроїв автоматики на базі транзисторних структур Шоттки. Проведено оцінку технічного рівня сучасних елементів і пристроїв автоматики на базі стійких і потенціально-нестійких напівпровідникових структур Шоттки (ПТШ1 і ПТШ2). Показано, що двухзатворні напівпровідникові структури Шоттки є унікальними 4-х електродними структурами які потенційно мають більш широкі функціональні можливості ніж ПТШ1. ПТШ2 успішно застосовуються при побудові підсилювачів з регульованим коефіцієнтом підсилення та частотних змішувачів, при реалізації ключів, атенюаторів і фазообертачів. Усі ці пристрої будуються на потенційно стійких структурах, а питання потенційної нестійкості таких структур і створення пристроїв автоматики й обчислювальної техніки на їх основі залишається відкритим. На базі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначені основні напрямки та задачі досліджень.

В другому розділі розроблено математичні моделі і досліджено імітансні характеристики чотириполюсників на базі двозатворних польових структур Шоттки.

Двозатворна польова структура Шоттки є чотириелектродною структурою, на базі якої, у залежності від комбінації електродів, можуть бути реалізовані 18 чотириполюсників. Для їхнього опису розроблена узагальнена математична модель (1), для знаходження параметрів якої досить визначити десять Y-параметрів ПТШ2 тільки для трьох схем включення. При цьому критерієм вибору схем включення є умова, при якій в шукані матриці повинні входити діагональні елементи , що забезпечують схеми включення з спільними: (31,В); (З,В); (31,32).

(1)

Представлення ПТШ2 у виді комбінації двох однозатворних транзисторів забезпечило знаходження Y-параметрів чотириполюсників виду (31,В), (З,В) і (31,32) через відомі Y-параметри чотириполюсників, утворених однозатворним транзистором при включенні його за схемою з загальним джерелом, стоком і затвором. Погрішність визначення параметрів їх фізичної еквівалентної схеми в нижній області НВЧ діапазону не перевищує 20%.

Розроблено методику і досліджено імітансні окружності 18-ти видів чотириполюсників на базі ПТШ2 у режимі прямого і зворотного перетворення імітанса. Використано графоаналітичний метод знаходження області реалізації можливих значень перетвореного імітанса. Він базується на властивості вхідного Wвх (вихідного Wвих) імітанса лінійного чотириполюсника, відповідно до якого на комплексній площині вони описуються геометричним місцем точок, що лежать на ортогональних окружностях.

Виявлені 11 видів чотириполюсників на базі ПТШ2, які у діапазоні частот (1-7) ГГц є потенційно- нестійкими, та можуть бути основою для створення комбінованих динамічних негатронів.

В точці медіани не один з досліджуваних чотириполюсників не має негативний опір. У більшості випадків характер перетвореного імпедансу є ємнісним з добротністю . Виключення складає чотириполюсник виду СЗ(31,32), де . Чотириполюсники виду СЗ(32,З) і СЗ2(З,В) мають індуктивний характер перетвореного імпедансу з добротністю , що вказує на можливість використання їх як напівпровідникових аналогів індуктивності. У результаті аналізу імитансніх характеристик досліджуваних чотириполюсників розроблені 22 схеми динамічних комбінованих негатронів.

Третій розділ присвячено дослідженню узагальнених перетворювачів імітанса на базі ПТШ2.

Досліджуються основні робочі параметри УПІ на базі ПТШ2 такі як: інваріантний коефіцієнт стійкості Ку, максимально досяжний стійкий коефіцієнт передачі за потужністю Кms, максимально досяжне значення негативної дійсної складової перетвореного імітанса , коефіцієнт невзаємності КН, граничні fГ.і й оптимальні fopt частоти перетворення імітанса.

З огляду на те, що УПІ на базі ПТШ2 можна розглядати, як двокаскадні структури, можливі режими, коли Rе11<0 чи Rе22<0. У цьому випадку Ky < -1, тобто структура є абсолютно-нестійкою. Однак, навантажуючи її по входу і виходу дійсними імітансами ReWГ чи ReWH, одержуємо інваріантний коефіцієнт стійкості такої системи рівний

.

У діапазоні частот 1-10 ГГц із 18 видів узагальнений перетворювачів імітанса (УПІ) потенційно нестійкими є тільки одинадцять видів: СЗ (З1, З2); СЗ (З1, З); СВ (З1,З); СВ (З1, В); СЗ (З2, З); СЗ1 (З, В); СЗ2 (СВ). З ростом частоти їх запас стійкості збільшується. Найбільший запас стійкості на частоті 7 ГГц має УПІ виду СС (З2, В) - Ку = 4,15. Максимальну потенційну нестійкість має УПІ виду СС (З2, В) - Ку = 0,12 на частоті 1 ГГц. Найбільш широкий частотний діапазон потенційної нестійкості має УПІ виду СЗ (З2, В) і СС (З2, В). При проектуванні елементів і пристроїв автоматики на базі потенційно нестійких УПІ варто віддавати перевагу УПІ на базі ПТШ2, включеного за схемою з спільним стоком, тому що вони мають мінімальні значення Ку, а при проектуванні широкосмугових пристроїв - УПІ виду СЗ (З2,В) і СС (З2, В).

Дослідження максимального-досяжного стійкого коефіцієнта передачі за потужністю УПІ на базі ПТШ2 Кms показали, що на частоті 7 ГГц УПІ виду: СЗ (З1, З); СС (З1, З); СС (З2, В); СЗ2 (СВ) мають Кms<1. Найбільші значення Кms мають УПІ виду СЗ (З1, З2); СВ (З2, В). Кращі підсилювальні властивості мають схеми з спільним джерелом, а гірші - із спільним стоком. З ростом частоти Кms більшості видів УПІ зменшуються за експонентним законом.

У випадку, коли внутрішній інваріантний коефіцієнт стійкості Ку.<1, дійсна складова перетвореного імітансу Wвх(RеWвих) при визначені значення імітансу, що перетворюється, WН(WГ), стає негативної. Це забезпечує розширені функціональні можливості УПІ, але ставить задачу забезпечення його стійкості і стабільності. У цьому режимі потенційні можливості УПІ характеризує максимальне-досяжне значення негативної дійсної складової перетвореного імітансу Rе(-)max.вх(Re(-)max.вих):

;

.

Дослідження максимального-досяжного значення негативної дійсної складової перетвореного імітансу УПІ на базі ПТШ2 показали, що в режимі прямого перетворення імітансу максимальне значення Re(-)max. вх на частоті 1 ГГц спостерігають на вхідних клемах УПІ виду ОВС (З, В) - 200 Ом - і СС (З2, В) - 110 Ом). У режимі зворотного перетворення імітанса цей параметр максимальний в УПІ виду СВС (СВ) - -140 Ом - і СС (З1, В) - 3·105 Ом. З ростом частоти для усіх видів УПІ спостерігається зменшення величини Re(_)max. вх.

Для оцінки невзаємних властивостей УПІ використовуються коефіцієнти невзаємності. Вони відрізняються для абсолютних-стійких

елемент автоматика структура Шоттки

і потенційно-нестійких УПІ

.

Результати досліджень показали, що серед потенційно-нестійких УПІ максимальний коефіцієнт невзаємності має УПІ виду СС (З1, В), що має КН (Ку<1) = 1666. Близькі до взаємних властивостей УПІ виду СВС (СВ) і СС (З2, В), у яких КН відповідно рівні 0,7 і 1,8.

Частотні властивості УПІ характеризуються граничними fГ.і й оптимальними fopt частотами.

Для експериментального знаходження цих частот використовується екстраполяційний метод. Результати досліджень показали, що максимальну граничну частоту в режимі прямого перетворення має УПІ виду СВ (З1, В) - 29,967 ГГц, а в режимі зворотного перетворення - УПІ виду СЗ (З2, В) - 8,6 ГГц. Мінімальну граничну частоту як у режимі прямого, так і зворотного перетворення має УПІ виду ОВС (З1, З) - 1 ГГц.

Для більшості видів УПІ оптимальні частоти перетворення лежать у діапазоні (2-250) Мгц. Найбільш високу частоту має в режимі зворотного перетворення УПІ виду СЗ1 (ВС) - 14 ГГц. На оптимальній частоті 49 МГц можливе одержання максимального негативного активного опору величиною 344 кОм.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню елементів і пристроїв автоматики на базі потенційно-нестійких двозатворних напівпровідникових структур Шоттки та оцінці ефективності керуючих елементів на базі ПТШ2.

Використання двозатворної транзисторної структури Шоттки дозволяє реалізувати напівпровідникові індуктивності, що використовують ПТШ2 із шумопридушуючим електродом і на базі УПІ виду СС (З1, З) з величиною індуктивності (2-4) нГн і негативним активним опором у кілька десятків Ом у діапазоні частот 18-20 ГГц при коефіцієнті температурної нестабільності 0,07 %·град-1 в температурному діапазоні 0-40 °С. Зміна напруги живлення на 1 В забезпечує електричне керування величиною індуктивності на 3 нГн.

На основі розробленої активної напівпровідникової індуктивності розроблені взаємні смуго-пропускні фільтри, що забезпечують посилення сигналу на 3дБ у смузі пропускання і його придушення на 15дБ (для однорезонаторного) і на 40дБ для дворезонаторного СПФ.

Розроблено активні СЗФ на базі ПТШ2 здійснюють придушення сигналу на 15дБ (однорезонаторні) і на 30дБ (дворезонаторні) і мають втрати в смузі пропускання 0.5-1.5дБ.

Можлива реалізація на базі ПТШ2 невзаємних СПФ з коефіцієнтом підсилення одного каскаду 3дБ, придушенням сигналу не більш 20дБ і коефіцієнтом невзаємності 10дБ.

Перевагою розроблених активних фільтрів є придатність для реалізації у виді напівпровідникових НВЧ мікросхем, тому що в їх складі відсутні котушки індуктивності, і вони використовують напівпровідникові структури з переходами Шоттки, що є базовою основою таких мікросхем.

Основні висновки та результати роботи

У дисертації, на базі проведеного аналізу сучасних досягнень побудови елементів і пристроїв автоматики на базі напівпровідникових структур Шоттки, показана перспективність застосування з цією метою двозатворних напівпровідникових структур Шоттки, що є багатофункціональними електронними приладами. Їхнє використання в режимі потенційної нестійкості дозволяє покращити технічні характеристики ряду елементів і пристроїв автоматики.

Застосувавши методи електронного моделювання, теорії матричного числення, комфорних відображень і теорії узагальнених перетворювачів імітансу, отримано наступні теоретичні і практичні результати:

1. Вперше розроблено узагальнену математичну модель чотириполюсників. Можлива реалізація 18 видів чотириполюсників на базі двозатворної польової структуры Шоттки, в основі якої лежить визначення десяти Y-параметрів ПТШ2 тільки для трьох схем включення з спільними: (31,В); (З,В); (31,32), що забезпечило проведення досліджень їхніх імітансних кіл в режимі прямого і зворотного перетворення імітансу. Виявлено 11 видів чотириполюсників на базі ПТШ2 типи ЗП328, що володіють у діапазоні частот (1-7) Ггц потенційною нестійкістю, що є основою створення комбінованих динамічних негатронів.

2. Вперше доведено, що в режимі прямого перетворення імпедансу навантаження в екстремальній точці “4”, 6 видів потенціально-нестійких чотириполюсників мають властивості інвертора, а 5 видів - конвертора імпедансу. При цьому характер перетвореного імпедансу для всіх цих видів чотириполюсників є ємнісним з відносно низькою добротністю і величиною негативного опору на частоті 1ГГц в межах (3-197)Ом.

В режимі зворотного перетворення імпедансу генератора в екстремальній точці “4”, 7 видів потенціально-нестійких чотириполюсників мають властивості інвертора і 4 вида - конвертора імпедансу. При цьому перетворенний імпеданс всіх видів інверторів є ємнісним, а конверторів - індуктивним, що забезпечує можливість створення пристроїв автоматики з підвищеною завадостійкістю.

3. У результаті аналізу імітансних характеристик досліджуваних чотириполюсників розроблено 22 схеми динамічних комбінованих негатронів, для ефективного використання яких при реалізації елементів і пристроїв автоматики проведено дослідження робочих параметрів таких чотириполюсників, як узагальнених перетворювачів імпедансу.

Дослідження інваріантних коефіцієнтів стійкості УПІ на базі ПТШ2 показали, що в діапазоні частот 1-10 ГГц із 18 видів УПІ потенційною нестійкістю володіють тільки одинадцять видів: СЗ (З1, З2); СЗ (З1, З); СВ (З1,З); СЗ (З1, В); СЗ (З2, З); СЗ1 (З, В); СЗ2 (СВ). З ростом частоти їх запас стійкості збільшується. Найбільший запас стійкості на частоті 7 ГГц має УПІ виду СС (З2, В) - Ку = 4,15. Максимальною потенційною нестійкістю володіє УПІ виду СС (З2, В) - Ку = 0,12 на частоті 1 ГГц. Найбільш широким частотним діапазоном потенційної нестійкості володіють УПІ виду СЗ (З2, В) і СС (З2, В).

Вперше показано, що при проектуванні елементів і пристроїв автоматики на базі потенційно-нестійких УПІ необхідно віддавати перевагу УПІ на базі ПТШ2, що включений за схемою з спільним стоком, так як вони мають мінімальні значення Ку , а при проектуванні широкосмугових пристроїв - УПІ виду СЗ (З2, В) та СС(З2,В).

Максимальну граничну частоту в режимі прямого перетворення має УПІ виду СВ (З1, В) - 29,967 Ггц, а в режимі зворотного перетворення - УПІ виду СЗ (З2, В) - 8,6 Ггц. Мінімальну граничну частоту як у режимі прямого, так і зворотного перетворення має УПІ виду СВС (З1, З) - 1 ГГц.

Для більшості видів УПІ оптимальні частоти перетворення лежать у діапазоні (2-250) Мгц. Найбільш високу частоту має в режимі зворотного перетворення УПІ виду СЗ1 (ВС) - 14 ГГц. На оптимальній частоті 49 МГц можливе одержання максимального негативного активного опору величиною 344 кОм.

4. Використання двозатворної транзисторної структури Шоттки в режимі їх потенційної нестійкості дозволило реалізувати ряд елементів і пристроїв автоматики, що володіють більш високою ефективністю в порівнянні з відомими.

Вперше реалізовано напівпровідникові індуктивності, що використовують ПТШ2 із шумопридушуючим електродом і на базі УПІ виду СС (З1, З) з величиною індуктивності (2-4) нГн і негативним активним опором у кілька десятків Ом у діапазоні частот 18-20 ГГц при коефіцієнті температурної нестабільності 0,07 %·град-1 у температурному діапазоні 0-40 °С. Зміна напруги живлення на 1 В забезпечує електричне керування величиною індуктивності на 3 нГн.

Це дозволило, на основі розробленої активної напівпровідникової індуктивності, вперше розробити взаємні смуго-пропускаючі фільтри, що забезпечують підсилення сигналу на 3 дБ у смузі пропускання і його придушення на 15 дб (для однорезонаторного) і на 40дб для дворезонаторного СПФ.

Розроблені активні СЗФ на базі ПТШ2 здійснюють придушення сигналу на 15 дБ (однорезонаторні) і на 30 дБ (дворезонаторні) і мають втрати в смузі пропускання 0,5-1,5 дБ.

На базі ПТШ2 реалізовано невзаємні СПФ із коефіцієнтом підсилення одного каскаду 3 дБ, придушенням сигналу на 20дБ і коефіцієнтом невзаємності 10 дБ.

Перевагою розроблених активних фільтрів є їхня придатність для реалізації у виді напівпровідникових НВЧ мікросхем, тому що в їхньому складі відсутні котушки індуктивності і вони використовують напівпровідникові структури з переходами Шоттки, що є базовою основою таких мікросхем.

5. Обґрунтовано математичну модель ефективності керуючих елементів, яка дозволила здійснити оцінку ефективності керуючих елементів на базі 18 видів УПІ, що використовують ПТШ2. Найбільш ефективними керуючими елементами є ті, котрі реалізовані на базі УПІ виду: СС (З1, В) - Эвых = 18·104 Ом і СЗ2 (З, В), що має Эвх = 14000 Ом і Эвых=16000 Ом. Найбільшу крутизну перелаштування як активного, так і реактивного імпедансу, має УПІ виду СС (З1, В): ; . Розроблені математичні моделі дозволяють забезпечити реалізацію найбільш ефективних керуючих елементів на базі ПТШ2.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Филинюк Н.А., Салех Журбан. Малосигнальные модели четырехполюсников на базе двухзатворного транзистора Шоттки // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - №4. - Ч.1, Том 2. -С. 112-115.

Филинюк Н.А., Журбан Салех М. М., Куземко А.М. Анализ предельной частоты транзисторного динамического негатрона // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2004. - №2. - С. 57-61.

Філинюк М.А., Огородник К.В., Салех М.М. Журбан. Оцінка методичних похибок вимірювання W-параметрів чотириполюсника //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2004. - №2. - С. 35-41

N. Filinyuk, A. Kuzemko, M. M. Salesh Jourban. Development microwave active devices based on optically-controlled impedance element // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - №2 (10).- с.87-90.

Филинюк Н.А., Салех Журбан М.М., Куземко А.М. Обобщенная математическая модель ПТШ2 при включении его по схеме (31В)// Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2006. - №1(11) . - С. 102-106.

Филинюк Н.А., Куземко А.М., Салех М М Журбан. Управляющие элементы на транзисторах Шоттки // Вісник Хмельницького національного університету. -2006. -№5. - С. 233-238.

Филинюк Н.А., Куземко М.А., Салех М М Журбан, Лищинская Л.Б. Активные СВЧ фильтры на базе двухзатроных транзисторов Шоттки // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2006. - №3 - С. 43-53.

Филинюк Н.А., Куземко А.М., Салех М М Журбан. Полупроводниковые индуктивности для СВЧ диапазона // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2006. - №5. -C.9-13.

Филинюк Н.А., Огородник К.В., Журбан Салех М. М. Способ измерения нестандартных систем Z и S-параметров СВЧ-четырехполюсников// Материалы 15-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо-2005).- Украина, Севастополь. - 2005.- С. 739-740.

Филинюк Н.А., Журбан Салех М. М., Куземко А.М. Разработка активных СВЧ устройств на базе оптически-управляемого аналога катушки индуктивности //Труды третьей международной конференции “Photonics-ODS 2005” . -Винница. -2005. - С.116-117.

Філинюк М.А., Журбан Салех М. М., Куземко О.М. Активний дворезонаторний НВЧ фільтр підвищенної стабільності // Матеріали 1 міжнародної конференції "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування" (СПРТП-2005) . -Вінниця. -2005. -С. 178-179.

Салех М.М. Журбан Математическая модель негатрона на базе ПТШ2, включенного по схеме (З1, З2) // Труды пятой МНТК “МЭПП-2005”. -Баку-Сумгаит. -2005. - С.279-281.

Н.А. Филинюк, Салех Журбан, Швейкина С.Е, Огородник К.В., Булыга В.В. Полупроводниковые индуктивности // Труды шестой международной научно-практической конференции "Современные информационные и электронные технологи”. - Одеса. - 2006. - C.155.

Патент 13261 UA, МПК H03H 11/54. Схемотехнічний аналог котушки індуктивності / Філинюк М.А., Куземко О.М., Салех М.М. Журбан.-№ u2005 09739; Заявл. 17.10.2005; Опубл. 15.03.2006, Бюл. № 3.- 6 с.

Патент 11967 UA, МПК GO1R 27/28 Спосіб вимірювання параметрів чотириполюсника з використанням діаграми Вольперта-Смітта / Філинюк М.А., Огородник К.В., Салех М.М. Журбан.- № u2005 07033; Заявл. 15.07.2005; Опубл. 16.01.2006, Бюл. №1. - 8 с

Патент 14340 UA, МПК НO3В7/00 Двочастотний НВЧ генератор підвищеної стабільності / Філинюк М.А., Куземко О.М., Салех М.М. Журбан.- № u2005 10484; Заявл. 07.11.2005; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5 . - 6 с.

Анотація

Салех М М Журбан. Елементи та пристрої автоматики на базі потенційно-нестійких двозатворних напівпровідникових структур Шоттки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2007.

У дисертації, на базі проведеного аналізу сучасних досягнень побудови елементів і пристроїв автоматики на базі напівпровідникових структур Шоттки, показано перспективність застосування з цією метою двозатворних напівпровідникових структур Шоттки, що є багатофункціональними електронними приладами. Їхнє використання в режимі потенційної нестійкості дозволяє покращити технічні характеристики ряду елементів і пристроїв автоматики. Вперше розроблено узагальнену імітансну математичну модель двозатворної напівпровідникової структури Шоттки, що забезпечує проведення її досліджень, як 18 узагальнених перетворювачів імітансу в частотній області при будь-яких значеннях імітансу, що перетворюється. Вперше отримано аналітичні залежності робочих параметрів польових структур Шоттки в областо потенційної нестійкості від частоти імітансів, що перетворюються, і визначені умови реалізації на їх основі високодобротних аналогів індуктивності і керуючих елементів. Одержала подальший розвиток теорія оцінки ефективності керуючих елементів на базі узагальнених перетворювачів імітансу, що використовують потенційно-нестійкі двозатворні польові структури Шоттки. Вперше досліджено імітансні параметри 18 чотириполюсників на базі двозатворних транзисторів Шоттки, що дозволили виявити їх властивості, як узагальнених перетворювачів імітансу і визначити умови потенційної нестійкості. Розроблено і досліджено схему включення двозатворної потенційно-нестійкої структури Шоттки, що забезпечує реалізацію напівпровідникового еквівалента індуктивності у виглді напівпровідникової мікросхеми в широкому діапазоні частот. Вперше розроблено схеми комбінованих динамічних негатронів на базі ПТШ2. Розроблено і досліджено схеми активних однокристальних фільтрів, що здатні працювати на частотах у кілька десятків гігагерц. Досліджено імпедансні керуючі елементи на базі узагальнених перетворювачів імітансу на базі потенційно-нестійких структур Шоттки, що забезпечують у кілька разів більше значення коефіцієнта керування, у порівнянні з керуючими елементами на базі варикапів і р-і-n діодів.

Ключові слова: негатроніка, негатрон, елементи автоматики на потенційно-нестійких приладах, двозатворний польовий транзистор Шоттки, активний НВЧ фільтр, напівпровідникова індуктивність, ефективність елементів автоматики.

Аннотация

Салех М М Журбан. Элементы и устройства автоматики на базе потенциально-неустойчивых двухзатворных полупроводниковых структур Шоттки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

В диссертации, на основании проведенного анализа современных достижений построения элементов и устройств автоматики на базе полупроводниковых структур Шоттки, показана перспективность применения с этой целью двухзатворных полупроводниковых структур Шоттки, которые являются многофункциональными электронными приборами. Их использование в режиме потенциальной неустойчивости позволяет улучшить технические характеристики ряда элементов и устройств автоматики.

В работе впервые разработаны математические модели 18 видов четырехполюсников на базе двухзатворной полевой структуры Шоттки, в основе которых лежит определение десяти Y-параметров ПТШ2 только для трех схем включения с общими: (31,И); (С,И); (31,32), что обеспечило проведение исследований их иммитансных окружностей в режиме прямого и обратного преобразования иммитанса. Выявлены 11 видов четырехполюсников на базе ПТШ2 типа ЗП328, обладающих в диапазоне частот (1-7) ГГц потенциальной неустойчивостью, которые являются основой создания комбинированных динамических негатронов.

В результате анализа иммитансных характеристик исследуемых четырехполюсников разработаны 22 новые схемы динамических комбинированных негатронов, что обеспечило возможность их эффективного использования, при реализации элементов и устройств автоматики в результате проведенных исследований их рабочих параметров, как обобщенных преобразователей импеданса.

Исследования инвариантных коэффициентов устойчивости ОПИ на базе ПТШ2 показали, что в диапазоне частот 1-10 ГГц из 18 видов ОПИ потенциальной неустойчивостью обладают только одиннадцать видов: ОЗ (З1, З2); ОЗ (З1, С); ОИ (З1,С); ОЗ (З1, И); ОЗ (З2, С); ОЗ1 (С, И); ОЗ2 (СИ). С ростом частоты их запас устойчивости растёт. Наибольший запас устойчивости на частоте 7 ГГц имеет ОПИ вида ОС (З2, И) - Ку = 4,15. Максимальной потенциальной неустойчивостью обладает ОПИ вида ОС (З2, И) - Ку = 0,12 на частоте 1 ГГц. Наиболее широким частотным диапазоном потенциальной неустойчивости обладают ОПИ вида ОЗ (З2, И) и ОС (З2, И). Впервые показано, что при проектировании элементов и устройств автоматики на базе потенциально неустойчивых ОПИ следует отдавать предпочтение ОПИ на базе ПТШ2, включённого по схеме с общим стоком, т.к. они имеют минимальные значения Ку, а при проектировании широкополосных устройств - ОПИ вида ОЗ (З2, И) и ОС (З2, И).

Использование двухзатворной транзисторной структуры Шоттки в режиме их потенциальной неустойчивости позволило реализовать ряд элементов и устройств автоматики, обладающих более высокой эффективностью в сравнении с известными. Впервые реализованы полупроводниковые индуктивности, использующие ПТШ2 с шумоподавляющим электродом и на базе ОПИ вида ОС (З1, С) с величиной индуктивности (2-4) нГн и отрицательным активным сопротивлением в несколько десятков Ом в диапазоне частот 18-20 ГГц при коэффициенте температурной нестабильности 0,07 %·град-1 в температурном диапазоне 0-40 °С. Изменение напряжения питания на 1 В обеспечивает электрическое управление величиной их индуктивности на 3 нГн. Это позволило на основе разработанной активной полупроводниковой индуктивности, впервые разработать взаимные полосно-пропускающие фильтры, обеспечивающие усиление сигнала на 3 дБ в полосе пропускания и его подавление на 15 дБ (для однорезонаторного) и на 40дБ для двухрезонаторного ППФ. Разработанные активные ПЗФ на базе ПТШ2 осуществляют подавление сигнала на 15 дБ (однорезонаторные) и на 30 дБ (двухрезонаторные) и имеют потери в полосе прозрачности 0,5-1,5 дБ. На базе ПТШ2 реализованы невзаимные ППФ с коэффициентом усиления одного каскада 3 дБ, подавлением сигнала на 20дБ и коэффициентом невзаимности 10 дБ. Преимуществом разработанных активных фильтров является их пригодность для реализации в виде полупроводниковых СВЧ микросхем, т.к. в их составе отсутствуют катушки индуктивности, и они используют полупроводниковые структуры с переходами Шоттки, являющиеся базовой основой таких микросхем.

Обоснована математическая модель эффективности управляющих элементов, что даёт возможность осуществить оценку эффективности управляющих элементов на базе 18 видов ОПИ, использующих ПТШ2. Наиболее эффективными управляющими элементами являются те, которые реализованы на базе ОПИ вида: ОС (З1, И) - Эвых = 18·104 Ом и ОЗ2 (С, И), имеющего Эвх = 14000 Ом и Эвых=16000 Ом. Наибольше крутизной перестройки как активного, так и реактивного импеданса, обладает ОПИ вида ОС (З1, И): ; . Разработанные математические модели позволяют обеспечить реализацию наиболее эффективных управляющих элементов на базе ПТШ2.

Ключевые слова: негатроника, негатрон, элементы автоматики на потенциально-неустойчивых приборах, двухзатворный полевой транзистор Шоттки, активный СВЧ фильтр, полупроводниковая индуктивность, эффективность элементов автоматики.

Abstract

Saleh M M Jorban. Elements and Devices for automatics on the base of potentially-unstable two-gates semiconductor Shottky structures. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate of technicall sciences on the 05.13.05 - Elements and Devices for Computer Facilities and Control Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2007.

The generalized immitance mathematical model of the two-gates semiconductor Shottky structure providing conducting of its researches, as 18 generalized immitance transformers in a frequency region at any values of transformed immitance is the first developed. Analytical dependences of operating parameters of the fields Shottky structures in the area of potential instability of frequency of transformed immitance and the terms of realization on their basis of high-Q analogues of inductance and control elements are got in first. Further development of theory of estimation of efficiency of control elements on the base of the generalized immitance transformers using the potentially-unsteady two-gates fields Shottky structures is conducted. In first immitance parameters 18 quadripoles on the base of the two-gates Shottky transistors, allowing to expose their properties, as the generalized immitance transformers and to define the terms of their potential instability are explored. The circuit of including of the two-gates potentially-unsteady Shottky structure, providing realization of semiconductor equivalent of inductance as a semiconductor microcircuit in the wide range of frequencies is designing and tested.The circuits of microwave active on-chip filters are desining and tested. Immpedance control devices on potentially unstable Shottky transistors immitance transformers that provide in once or twice greater values of control coefficient are researched.

Keywords: negatronics, negatron, elements of automatics on potential-unstable devices, two-gates Shottky transistor, active microwave filter, semiconductor inductance, efficiency of automation elements.

Размещено на Allbest.ru