渡越时间二极管太赫兹辐射源机理与设计技术研究
太赫兹(THz)波在天文学、地理学、物理学、化学、生物学、医药科学、材料科学、环境科学、工业控制、信息通信、国家安全和军事等诸多领域具有广泛的应用前景，而太赫兹信号源是各种应用系统的基础，也是太赫兹波相关技术研究的核心。研究低成本、高可靠性、体积小和输出功率高的太赫兹信号源具有重要的科学意义和工程应用价值。
雪崩渡越时间二极管振荡器在各种毫米波段固态半导体器件中具有最大的输出功率。为了将渡越时间二极管的工作频率向THz波段拓展，本文从其工作机理和负阻振荡器基本原理出发，研究提升渡越时间二极管工作频率和提高渡越时间二极管输出功率的理论与技术，取得了以下研究进展：
1、针对太赫兹波段二极管工作频率高、器件参数频响特性明显的特点，本文在传统的Kurokawa负阻器件等效电路模型中引入了频率参量。根据包含频率和电流参数的器件等效电路模型，分析了太赫兹波段负阻振荡器电路的平衡条件和稳定条件，并对太赫兹振荡器外电路电阻对输出功率的影响进行了分析。在此基础上建立了包含封装结构的Si-IMPATT二极管振荡器一体化仿真分析模型，完成了0．1THzSi-IMPATT二极管振荡器的仿真分析和设计，为充分挖掘国产毫米波高端的Si-IMPATT二极管的潜力，独立自主研制太赫兹低端的固态辐射源打下了基础。对于频率在1THz附近、芯片直接馈电的二极管振荡器也进行了仿真分析，其结果对以后1THz附近频段的二极管及振荡器外电路的研究具有参考价值。
2、氮化镓材料已经被成功的应用于半导体光电器件的研制，本文重点研究氮化镓材料在太赫兹渡越时间二极管研究中的应用潜力。针对太赫兹波段欧姆接触渡越时间二极管串联电阻大的缺点，本文提出了一种氮化镓肖特基接触的渡越时间二极管。为了能够有效地分析这种渡越时间二极管，本文从漂移-扩散模型出发结合雪崩倍增效应和隧道效应的物理机理，建立了雪崩-隧道渡越时间二极管仿真分析模型，并编制了相应的仿真分析软件。利用本仿真软件对太赫兹波段Si-IMPATT二极管进行了分析，其仿真结果与文献吻合很好，证明本文所给出的计算方法具有很高的计算精度。利用自行编制的仿真分析软件对纤芯矿结构的氮化镓渡越时间二极管进行了分析，理论分析表明，在0．88THzWz-GaN肖特基接触雪崩-隧道渡越时间二极管的连续波输出功率可达到873mW。
3、为了进一步分析宽带隙半导体材料渡越时间二极管在太赫兹波段的性能，本文系统地研究了宽带隙的半导体材料的物理特性，定性地给出了相关物理特性参数对于太赫兹波段渡越时间二极管谐振频率和输出功率的影响。利用自行编制的仿真分析软件对物理特性非常优良的金刚石雪崩-隧道渡越时间二极管进行了仿真分析，分析结果表明基于金刚石材料的肖特基接触雪崩-隧道渡越时间二极管的振荡频率将达到2THz以上，在2．12THz这种二极管的连续波输出功率可达到9．31mW。
4、利用国产W波段硅雪崩渡越时间二极管自行研制了0．1THz的固态振荡器，通过对大量实验数据的分析，发现在较高的偏置电流情况下，在国产硅雪崩渡越时间二极管振荡器存在隧道渡越模式，这种模式的工作频率约为常规的雪崩渡越模式的1．5倍，且具有优良的频谱特性。利用这种隧道渡越工作模式，可以有效地提高现有国产W波段雪崩渡越时间二极管的工作频率，改善输出信号的频谱特性。
5、利用自主开发的雪崩-隧道渡越时间二极管特性仿真软件，分析了硅雪崩渡越时间二极管的低温特性。仿真结果表明，随着温度的降低，二极管的输出功率逐渐上升，而且其振荡频率也向高端偏移。在这样的理论分析结果的指导下，构建了液氮制冷的低温环境测试系统，对国产0．1THz频段硅雪崩渡越时间二极管振荡器进行了低温实验研究。与常温环境下工作的二极管振荡器相比，低温环境下实测输出功率提高了47．8％，频率向高端偏移了6．3％。
6、为了满足太赫兹准光应用系统(准光功率合成器、准光功率分配器、准光倍频器等)对高性能低成本准光辐射器的设计的需求，本文研究了一种准光辐射器的有效的分析方法，将波导模式与高斯波束模式在二者的界面上进行匹配，实现了波导模式与高斯模式的模式匹配法分析程序，与有限元-高斯波束展开法进行比对，证明这种方法不仅计算速度快而且具有很高的计算精度，可为准光辐射器的分析设计提供了有效手段。利用自行编制的分析设计程序，设计了用于太赫兹低端准光系统的对角角锥喇叭辐射器。
太赫兹波;辐射源机理;二极管;微波半导体器件;设计技术
东南大学
博士
电磁场与微波技术
徐金平
2008
中文
TN31;TN385
118
2009-04-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）