Printer Friendly

Magnetoactive p-Ge rod waveguide loss analysis on the concentration of two component hole charge carriers/Cilindriniu giroelektriniu p-Ge bangolaidziu nuostoliu priklausomybes nuo dvieju rusiu kruvininku koncentracijos tyrimas.

Ivadas

Puslaidininkine medziaga, esanti isoriniame nuolatiniame magnetiniame lauke, vadinama magnetiskai aktyvia puslaidininkio plazma arba giroelektrine medziaga. Elektromagnetiniu (EM) bangu sklidimas neapribotoje magnetiskai aktyvioje puslaidininkiu plazmoje istirtas darbuose (Palik, Furdyna 1970; Baynham 1968). EM bangu sklidimas metaliniuose magnetiskai aktyvia plazma uzpildytuose bangolaidziuose nagrinetas darbuose (Prati 2003; Liu et al. 2000). Atviriesiems (be metalinio ekrano) bangolaidziams tirti skirta nedidele dalis darbu. Sis darbas skirtas tokiems bangolaidziams tirti.

Magnetiskai aktyvios puslaidininkiu plazmos bangolaidziu pagrindu kuriami ivairus mikrobangu itaisai: fazes keitikliai, moduliatoriai, filtrai, jungikliai, konverteriai (Sujuki, Yokoshima 2003; Eden et al. 2005; Iqbal, Gibson 2001; Nickelson et al. 2007). EM bangu slopinimas ir faze siuose itaisuose gali buti valdomi isoriniu nuolatiniu magnetiniu lauku arba optiskai. Magnetiskai aktyvus puslaidininkiniai bangolaidziai taip pat naudojami kuriant optoelektronikos, plazminius itaisus ir lazerius (Ballato et al. 2011; Hubers et al. 2005).

Elektromagnetines bangos sklidimo konstantos atviruose cilindriniuose bangolaidziuose priklausomybe nuo daznio pateikta darbuose (Iqbal, Gibson 2001; Nickelson et al. 2009; Malisauskas, Plonis 2010). Taciau juose nenagrinejama nuostoliu priklausomybes bangolaidziuose.

Siame darbe pristatomos atvirtuju cilindriniu germanio (Ge) bangolaidziu kompleksines dispersines charakteristikos. Atliekant skaiciavimus ivertinta tai, kad p-Ge medziaga turi skirtingas lengvuju ir sunkiuju skyluciu koncentracijas. Krastinis elektrodinamikos uzdavinys siuo atveju sprendziamas daliniu sriciu metodu. Dispersines lygties kompleksiniu saknu ieskoma Miulerio metodu (Asmontas et al. 2010). Girotropiniu bangolaidziu dispersine lygtis visu tipu EM bangoms pateikta darbe (Nickelson et al. 2007).

Siame darbe taip pat nagrinejamos kompleksines isilgines bangos sklidimo konstantos [bar.h] = h'--ih" priklausomybes nuo dvieju rusiu kruvininku koncentracijos ir elektromagnetiniu virpesiu daznio. Isilgines bangos sklidimo konstantos israiska h' zymi bangos fazes koeficienta, o h"--bangolaidzio slopinimo koeficienta (nuostolius). Tyrimas atliktas kairiosios apskritimines poliarizacijos ([e.sup.+i[phi]]) EM bangu 5-200 GHz dazniu ruoze. Sio tipo bangos dar vadinamos helikoninemis bangomis. Skaiciavimams naudota MATLAB kalba parasyta programa.

Buvo aptikta svarbiu p-Ge bangolaidziu savybiu, kurios gali buti naudingos kuriant valdomus mikrobangu itaisus.

p-Ge santykines dielektrines skvarbos tenzorius

Puslaidininkio, esancio nuolatiniame isilginiame magnetiniame lauke, elektrodinamines savybes apibudina santykines dielektrines skvarbos tenzorius [MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII]. Tenzoriaus komponentai priklauso nuo tokiu medziagos parametru: puslaidininkio gardeles pastoviosios, kruvininku efektines mases ir judrio, magnetinio lauko indukcijos [MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII], kruvininku koncentracijos N ir EM virpesiu daznio f (Nickelson et al. 2009):

[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] (1)

Kadangi p-Ge turi dvieju rusiu kruvininkus, skaiciuojant kompleksinius tenzoriaus komponentus, reikia ivertinti sunkiuju ir lengvuju skyluciu itaka. [MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] yra kompleksiniai tenzoriaus [MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] komponentai:

[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] (2)

[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] (3)

[MATHEMATICAL EXPRESSION NOT REPRODUCIBLE IN ASCII] (4)

cia [[omega].sub.pn]--plazmos savuju virpesiu kampinis daznis; [[omega].sub.cn]--ciklotroninio rezonanso kampinis daznis; [v.sub.n]s--vidutinis laisvuju kruvininku susidurimu su puslaidininkio gardele daznis; [omega]--kampinis EM virpesiu daznis (Nickelson et al. 2009). Indeksas n formulese parodo, kad parametras yra skaiciuojamas atskirai sunkiosioms (n = 1) ir lengvosioms ( n = 2 ) skylutems.

Keiciant skirtingu rusiu kruvininku koncentracijas, galima keisti elektromagnetiniu bangu sklidima puslaidininkio plazmoje.

Dispersiniu charakteristiku priklausomybe nuo sunkiuju skyluciu koncentracijos

Puslaidininkiniu p-Ge bangolaidziu dispersines charakteristikos apskaiciuotos, kai sunkiuju skyluciu koncentracija [N.sub.h] sudaro 5 %, 50 % ir 95 % visu kruvininku koncentracijos N bangolaidyje. Laisvuju kruvininku koncentracija (iskaitant lengvasias [N.sub.l] ir sunkiasias [N.sub.h] skylutes) lygi N = [N.sub.h] + [N.sub.l] = 5*[10.sup.19] [m.sup.-3]. Skaiciavimai atlikti, esant bangolaidzio spinduliui 1 mm.

Sunkiuju skyluciu efektine mase p-Ge yra [m.sub.h] = 0,279[m.sub.e], judrumas---[[mu].sup.*.sub.h] = 6,3 [m.sup.2]/V.s. Lengvuju skyluciu efektine mase yra [m.sup.*.sub.l] = 0,043[m.sub.e], judrumas--[[mu].sub.l] = 40,9 [m.sup.2]/V.s. Puslaidininkio gardeles pastovioji lygi [[epsilon].sup.p-Ge.sub.k] = 16.

1, 3 ir 5 pav. pavaizduotos pagrindinio ir astuoniu aukstesniuju bangos tipu normuotos bangos sklidimo konstantos realiosios dalies h' / [k.sub.0] priklausomybes nuo daznio dazniu ruoze 5-200 GHz, cia [k.sub.0]--bangos sklidimo vakuume konstanta.

Zinoma, kad cilindriniu dielektriniu bangolaidziu pagrindinis bangos tipas [HE.sub.11] yra hibridine banga, kurios pirmasis indeksas lygus 1. Siame darbe nagrinejami bangu tipai, kuriu pirmasis indeksas lygus 1, t. y. tos pacios simetrijos (pagal [phi] ) kaip ir pagrindinis bangos tipas. 2, 4 ir 6 pav. pavaizduoti nuostoliu grafikai. Pirmasis aukstesnis bangos tipas pazymetas numeriu 1, antrasis--2 ir t. t.

[FIGURE 1 OMITTED]

[FIGURE 2 OMITTED]

[FIGURE 3 OMITTED]

[FIGURE 4 OMITTED]

[FIGURE 5 OMITTED]

[FIGURE 6 OMITTED]

Kai [N.sub.h] / N yra 0,05; 0,5; 0,95, pagrindinio bangos tipo kriziniai dazniai atitinkamai lygus 9,4, 8,83 ir 8,06 GHz. Didejant santykiui [N.sub.h] / N , pagrindinio bangos tipo krizinis daznis pamazu slenka zemesniuju dazniu link.

Nuostoliu grafikuose, pateiktuose 2, 4, 6 pav., matome, kad visame dazniu ruoze pagrindinio bangos tipo nuostoliai [h.sup.".sup.p] yra mazesni negu aukstesniuju bangos tipu nuostoliai [h.sup.".sup.a] . Priklausomai nuo sunkiuju skyluciu koncentracijos, keiciasi santykio [h.sup.".sup.a] / [h.sup.".sup.p] ekstremumu vertes ir ju padetys dazniu asyje f. Pavyzdziui, kai [N.sub.h] / N = 50% maksimumas [h.sup.".sup.a] / [h.sup.".sup.p] = 60 (f = 100 GHz) ir minimumas [h.sup.".sup.a] / [h.sup.".sup.p] = 2,5 (f = 200 GHz).

Skirtingu bangos tipu dazninese charakteristikose gali atsirasti daugiau nei vienas nuostoliu rezonansas (4 pav.).

Kai sunkiuju skyluciu koncentracija mazesne kaip 30 %, 2-asis ir 3-iasis bangos tipai yra susipyne (1 pav.). Tada labai padideja 3-iojo bangos tipo slopinimas (2 pav.). 2-asis ir 3-iasis bangos tipai transformuojasi ties 101,8 GHz dazniu, t. y. 2-asis bangos tipas virsta 3-iuoju, o 3-iasis virsta 2-uoju.

Pirmojo ir antrojo aukstesniu bangos tipu daznines charakteristikos susikerta ties 102 GHz dazniu, ir kai sunkiuju skyluciu koncentracija yra didele, vyksta siu bangos tipu transformacija (5 pav.).

Visi aptikti rezonansiniai efektai yra susije su puslaidininkio kompleksines santykines dielektrines skvarbos tenzoriaus komponentu daznine priklausomybe.

Mikrobangu itaisai galetu veikti platesniame darbo dazniu diapazone, kuris skaiciuojamas pagal tradicines formules (Asmontas et al. 2010), kadangi aukstesnieji bangos tipai nedaug pakeicia pagrindines bangos sklidima bangolaidyje.

Isvados

1. Sukurta programa, skirta nuostoliams girotropiniuose puslaidininkiniuose bangolaidziuose skaiciuoti.

2. Isnagrinetos p-Ge bangolaidziu, turinciu dvieju rusiu laisvuosius kruvininkus, devyniu bangos tipu dispersines charakteristikos 5-200 GHz dazniu ruoze.

3. Istirtose dazninese charakteristikose pagrindinio bangos tipo nuostoliai yra bent du kartus mazesni negu aukstesniuju bangos tipu nuostoliai.

4. Kai sunkiosios skylutes sudaro apie 50 % visu kruvininku koncentracijos, 5-130 GHz dazniu ruoze pagrindinio bangos tipo nuostoliai yra nuo 6 iki 60 kartu mazesni negu aukstesniuju bangos tipu nuostoliai. Si savybe galetu buti panaudota, siekiant praplesti mikrobangu itaisu darbo dazniu diapazona (placiajuostiskuma).

Literatura

Asmontas, S.; Nickelson, L.; Bubnelis, A.; Martavicius, R.; Skudutis, J. 2010. Hybrid mode dispersion characteristic dependencies of cylindrical dipolar glass waveguides on temperatures, Electronics and Electrical Engineering 106(10): 83-86.

Ballato, J.; Hawkins, T.; Foy, P.; Morris, S.; Hon, N. K.; Jalali, b.; Rice, R. 2011. Silica-clad crystalline germanium core optical fibers, Optics Letters 36(5): 687-688. http://dx.doi.org/10.1364/OL.36.000687

Baynham, A. C. 1968. Magnetoplasma wave propagation in the two-carrier system provided by p-type semiconductors: a study of the transport properties of p-type germanium using magnetoplasma waves, J. Phys. C: Solid State Phys. 2(1): 1447-1454. http://dx.doi.org/10.1088/0022-3719/1/5/334

Eden, J. G.; Park, S. J.; Ostrom, N. P.; Chen, K. F. 2005. Recent advances in microcavity plasma devices and arrays: a versatile photonic platform, J. Phys. D: Applied Physics 38(11): 1644-1648. http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/38/11/002

Hubers, H. W.; Pavlov, S. G.; Shastin, V. N. 2005. Semiconductor science and technology, IOP Publishing 20(7): 211-221.

Iqbal, S. S.; Gibson, A. A. 2001. Characteristics of millimeterwave semiconductor phase shifters, in The 11th International Conference on Antennas and Propagation, April 17-20, 2001, Conference Publication No 480, 323-326.

Liu, S.; Li, L. W.; Leong, M. S.; Yeo, T. S. 2000. Theory of gyroelectric waveguides, PIER 29: 231-259. http://dx.doi.org/10.2528/PIER00041801

Malisauskas, V.; Plonis, D. 2010. Dispersion characteristics of the propagation waves in the gyroelectric semiconductor waveguides, Electronics and Electrical Engineering 106(10): 87-90.

Nickelson, L.; Asmontas, S.; Malisauskas, V.; Shugurov, V. 2007. The Open Cylindrical Gyrotropic Waveguides. Vilnius: Technika. 248 p. http://dx.doi.org/10.1017/S0022377808007307

Nickelson, L.; Asmontas, S.; Malisauskas, V.; Martavicius, R. 2009. The dependence of open cylindrical magnetoactive p-Ge and p-Si plasma waveguide mode cutoff frequencies on hole concentrations, Journal of Plasma Physics 75: 35-51.

Palik, E. D.; Furdyna, J. K. 1970. Infrared and microwave magnetoplasma effects in semiconductors, Reports Progress in Physics 33(3): 1193-1322. http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/33/3/307

Prati, E. 2003. Propagation in gyroelectromagnetic guiding systems, J. of Electomagn. Waves and Appl. 17(8): 1177-1196. http://dx.doi.org/10.1163/156939303322519810

Sujuki, N.; Yokoshima, S. 2003. Plasma processing apparatus having circular waveguide and plasma processing method. United States Patent 6652709.

doi: 10.3846/mla.2012.17

arturas Bubnelis

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

El. pastas arturas.bubnelis@vgtu.lt
COPYRIGHT 2012 Vilnius Gediminas Technical University
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2012 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Bubnelis, Arturas
Publication:Science - Future of Lithuania
Article Type:Report
Geographic Code:4EXLT
Date:Feb 1, 2012
Words:1483
Previous Article:Synthesis of multiconductor microstrip lines operating in normal modes/Daugialaides mikrojuostelines linijos, veikianncios normaliuju bangu rezimu...
Next Article:Modelling microwave devices using artificial neural networks/Cilindriniu giroelektriniu p-Ge bangolaidziu nuostoliu priklausomybes nuo dvieju rusiu...
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2021 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters