Расчёт широкополосного датчика СВЧ излучения
Введение
В настоящее время практически повсюду существуют электромагнитные поля, которые пронизывают людей со всех сторон. Примером такого излучения являются вышки телевещания, различные электромагнитные приборы, использующиеся для СВЧ печек и так далее. Диапазон подобных устройств очень большой. На данный момент существуют приборы, которые измеряют электромагнитные поля, но, как правильно, лишь в определённом диапазоне и основаны они обычно на принципе работы антенны: она может поглощать поля в своём диапазоне частот, а, значит, такие приборы и предназначаются для работы в определённом диапазоне.
Для СВЧ диапазона достаточно сложно создавать антенны, а прибора для прямого измерения поля за счёт какого-либо другого эффекта нет. Данная работа как раз посвящена этой проблеме.
Согласно исследованиям, проводившимся на кафедре радиофизики и электроники Физико-технического института Крымского федерального университета, было обнаружено, что под воздействием электромагнитных полей на тонкие плёнки поглощение поля зависит от толщины плёнки. При определённых толщинах плёнки происходит очень эффективное поглощение (до 50% мощности). В работе предложено произвести прибор, который может использовать данный эффект в основе своей работы и тогда, по поглощению, можно будет измерять количественную величину воздействующего на него электромагнитного поля. Для этого предлагается сделать прибор, похожий на транзистор с затвором в виде площадки нанометровой толщины, который будет выступать в качестве поглощающего элемента. Под действием электромагнитного поля площадка поглощает электромагнитные волны, соответственно, разогревается и разогревает слой полупроводника, который находится под ней. В результате происходит активный переход валентных электронов в зону проводимости. Канал такого транзистора открывается, начинает течь ток. По величине этого тока можно будет определять величину поля.
Оглавление
Оглавление 3
Список сокращений и условных обозначений 4
Введение 5
Глава 1. Обзор современных подходов при конструировании датчиков электромагнитного излучения 7
1.1 История разработки датчиков электромагнитного излучения 7
1.2 Современные датчики электромагнитного излучения. 11
1.3 Постановка задачи 14
Глава 2. Анализ возможности построения датчика и выбор материала 16
2.1 Анализ характеристик для построения модели. 16
2.2 Поиск и выбор материала 19
Глава 3. Построение модели токопереноса в полупроволниковой структуре 23
3.1 Кинетическая модель токопереноса в полупроводниковой структуре 23
3.2 Расчёт частот рассеяния для InSb 27
Глава 4. Результаты расчётов и моделирования 34
Заключение 38
Список используемых источников 39
Список используемых источников
Рудой А.С., Бова А.А. Современные подходы к диагностике, терапии, профилактике поражений электромагнитными излучениями СВЧ-диапазона / А. С. Рудой, А.А. Бова, Е.В. Титкова, И.В. Зигашвили // Минск: БГМУ, 2018. – 38 с.
Электромагнитные датчики [Электронный ресурс]. – Электроника и элементы устройства систем управления, 2018. – URL: http://myrepititor.ru/sau/105-Elektromagnitnye_datchiki.html
Соловьёв И.Н. Датчики электромагнитного поля / И.Н. Соловьёв, А.Н. Соловьёв, Р.В. Петров, Д.В. Коваленко, М.И. Бичурин // НГУ им. Ярослава Мудрого, 2013. – 5 с.
Ананский Е.В. Что такое радиозакладки и как их обнаружить / Е.В. Ананский // Журнал «Служба безопасности». – 1999. – Вып. №11. – 4 с.
Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников [Электронный ресурс]. – Электро-материаловедение, 2014. URL: http://bibl.rusoil.net/base_docs/UGNTU/ODPMO/Prakhova3/teoreticheskie_osnovi/teo_4_2.htm?4_2
Основы функционирования систем [Электронный ресурс]. – Учебные материалы для студентов, 2019. – URL: https://studme.org/327657/tehnika/preobrazovateli_holla
Судариков А.В. Обзор технических устройств измерения характеристик электромагнитных полей / А.В. Судариков, М.А. Ромащенко // В.: ВГТУ, 2011. – 6 с.
Шалимова К.В. Физика полупроводников / М.: Энергоатомиздат, 1985. – 392 с.
Зависимость уровня Ферми от концентрации примесей и температуры для невырожденного полупроводника [Электронный ресурс]. – М.: Большая Рос. Энцикл., 2015. – URL: https://megaobuchalka.ru/6/50042.html
Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников / В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников // М.: МФТИ, 1977. – 678 с.
Алешкин В.Я. Современная физика полупроводников [Электронный ресурс]. – Н.Н.: 2013. – URL: https://docplayer.com/26174647-V-ya-aleshkin-kurs-lekciy-sovremennaya-fizika-poluprovodnikov.html
Орлов В.Г. Численное моделирование кинетических свойств антимонида индия / В.Г. Орлов, Г.С. Сергеев // М.: МФТИ, 2013. – 7 с.
Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников / М.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 1978. – 616 с.
Никитина Л.Н. Расчёт деформационных потенциалов для междолинных переходов с участием фононов в кристаллах А^III В^V со структурой сфалерита / Л.Н. Никитина, С.В. Обухов, В.Г. Тютерев // Т.: ТГПУ, 2008. – 6 с.
Сергеев Г.С. Моделирование кинетических и термоэлектрических свойств антимонида индия / М.: НИЦ «Курчатовский институт», 2014. – 152 с.
Physical properties of Indium Antimonide (InSb) [Электронный ресурс] / URL: http://www.matprop.ru/InSb
На данный момент существует большое количество электромагнитных датчиков и индикаторов. К сожалению, работают они зачастую в узких диапазонах и, в основном, либо за счёт магнитных свойств и явлений, либо основываясь на принципах работы антенн. Данные приборы хоть и предназначены для различных частотных диапазонов, их создание для применения в области СВЧ не имеет достаточно хороших результатов. Диапазон СВЧ излучения окружает людей повсюду и постоянно. Самый яркий пример попадания под его воздействие – микроволновая печь, которая есть практически в каждом доме. Мобильный телефон, неотъемлемый спутник человека в данный момент, интернет – тоже работают в СВЧ диапазоне [1]. В связи с развитием технологий и увеличением излучающих устройств (а излучают практически все устройства) человечество стало задумываться, как влияют на живой организм попадающие электромагнитные волны, в каких объёмах и могут ли вообще они быть опасны. Из подобных вопросов стали выплывать задачи, такие, как, например, научиться определять норму влияния излучения, мощность излучаемого прибора, безопасность контакта с человеком и в целом суметь получать максимально возможную информацию о поле. Первые датчики основывались на магнитных эффектах [2, 3]. В создании использовались катушка и сердечник. Под влиянием электромагнитного поля возникала ЭДС, что говорило о наличии поля. Пример представлен на рисунке 1.1.