Extraneous electromagnetic radiation impact on waveguide characteristics of a semiconductor superlattice

Abstract

The subject matter is the mechanisms of emergence of instabilities in natural oscillations of semiconductor supertattices caused by their interaction with charged particle flows of extraneous electromagnetic radiation. The aimis calculating ratios to determine a degree of deviation of operating characteristics of semiconductor components from the norm, depending on the parameters of extraneous pulsed electromagnetic radiation. The objectiveis to model how currents that are induced with extraneous EMR interact with electrostatic oscillations of a semiconductor supertattice, using an implementation of (Cherenkov) resonance interaction of moving charges with electromagnetic oscillations under conditions where the phase velocity of the wave and the velocity of the charged particle are the same. The methods used: analytical methods for solving Maxwell's equations and medium equations in a framework of hydrodynamic approach. The following results are obtained. We have studied semiconductor components of electronic equipment (supertattices) being exposed to strong pulsed electromagnetic fields. The study was focused on the nature of changes in the working capacity of the components. We show that the effect of pulsed electromagnetic radiation is accompanied by an emergence of currents in the conductive hardware elements and an emergence of internal fields within them. One kind of reversible failures of semiconductor hardware elements is determined, based on interaction of extraneous radiation induced currents with the intrinsic fields of the supertattices of the hardware components. Similar failures occur under conditions of Cerenkov radiation (when the current is parallel to the structure boundary). It is shown that such interaction leads to energy losses in the induced currents spent to excitation of natural oscillations of the supertattice, i.e. to emergence of an oscillation generation mode that is characterized with a change in the volt-ampere characteristics of the hardware. The results obtained in this work can be used to evaluate the efficiency of active radio electronic devices (amplifiers, generators and converters of electromagnetic oscillations in the millimeter and sub-millimeter ranges) being exposed to extraneous pulsed electromagnetic fields. The comparative analysis of quantitative evaluations of reversible failures of semiconductor devices in dependence on the spatial configuration of the acting field (induced current parallel to the structure boundary) allows solving problems in optimizing the degree of distortion of the performance characteristics of these devices.Предметом вивчення є механізми виникнення нестійкостей власних коливань напівпровідникових надґраток, обумовлених їх взаємодією з потоками заряджених частинок в умовах впливу зовнішнього електромагнітного випромінювання. Мета - отримання розрахункових співвідношень, які дозволяють визначати ступінь відхилення робочих характеристик напівпровідникових комплектуючих від норми в залежності від параметрів зовнішнього імпульсного електромагнітного випромінювання. Задача -отримання моделі взаємодії наведених зовнішнім електромагнітним випромінюванням струмів з електростатичними коливаннями напівпровідникової надґратки, заснованої на реалізації резонансної (черенковської) взаємодії рухомих зарядів і електромагнітних коливань в умовах, коли збігаються фазова швидкість хвилі і швидкість зарядженої частинки. Використовувані методи: аналітичні методи рішення рівнянь Максвелла і рівнянь середовища в рамках гідродинамічного підходу. Отримано наступні результати. Проведено дослідження функціонування напівпровідникових комплектуючих електрорадіовиробів (надґграток) в умовах впливу потужних імпульсних електромагнітних полів. Вивчено характер змін працездатності напівпровідникових комплектуючих елементної бази технічних засобів. Показано, що вплив імпульсного електромагнітного випромінювання супроводжується виникненням струмів в провідних елементах виробів і виникненням їх внутрішніх полів. Визначено один з типів оборотних відмов напівпровідникової елементної бази електрорадіовиробів, заснований на взаємодії струмів, наведених зовнішнім випромінюванням, з власними полями надґграток,що комплектують виріб. Подібні відмови реалізуються в умовах черенковського випромінювання (струм паралельний до кордонів структури). Показано, що дана взаємодія призводить до енергетичних втрат наведених струмів на збудження власних коливань надґраток, тобто появі режиму генерації коливань, який характеризується зміною вольтамперних характеристик радіовиробів. Результати, отримані в роботі, можуть бути використані при оцінці працездатності активних радіоелектронних приладів (підсилювачів, генераторів і перетворювачів електромагнітних коливань міліметрового та субміліметрового діапазонів) в умовах впливу зовнішніх імпульсних електромагнітних полів. Проведений в роботі порівняльний аналіз кількісних оцінок оборотних відмов напівпровідникових приладів в залежності від просторової конфігурації поля, що впливає (наведений струм паралельний до кордонів структури), дозволяє вирішувати задачі оптимізації ступеня спотворення робочих характеристик даних приладів.