Дослідження сенсора температури з частотним виходом на основі квантової гетероструктури з від’ємним диференційним опором

ДОСЛІДЖЕННЯ СЕНСОРА ТЕМПЕРАТУРИ З ЧАСТОТНИМ ВИХОДОМ НА ОСНОВІ КВАНТОВОЇ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ З ВІД’ЄМНИМ ДИФЕРЕНЦІЙНИМ ОПОРОМ

STUDY OF A FREQUENCY OUTPUT TEMPERATURE SENSOR BASED ON A QUANTUM HETEROSTRUCTURE WITH A NEGATIVE DIFFERENTIAL RESISTANCE

Сторінки: 156-164. Номер: №2, 2021 (295)
Автори:
О.В. ОСАДЧУК,  В.С. ОСАДЧУК, Я.О. ОСАДЧУК
Вінницький національний технічний університет
A.V. OSADCHUK, V.S. OSADCHUK, I.O. OSADCHUK
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-295-2-156-164
Рецензія/Peer review : 16.04.2021 р.
Надрукована/Printed : 02.06.2021 р.

Анотація мовою оригіналу

Розгляд фізичних процесів у квантовій двобар’єрній гетероструктурі, яка є основою розбудови тунельно-резонансних діодів показав, що тунельно-резонансні діоди можна використовувати як сенсори температури з частотним вихідним сигналом. Використання приладів з від’ємним диференційним опором дозволяють значно спростити конструкцію сенсорів температури в усьому діапазоні радіочастот, при якому в залежності від режимів роботи сенсора можна отримати вихідний сигнал як у формі гармонічних коливань, так і у формі імпульсних коливань спеціальної форми.
Дослідження характеристик сенсора базується на еквівалентній схемі тунельно-резонансного діода, яка враховує його ємнісні та індуктивні властивості. Вольт-амперна характеристика сенсора має спадну ділянку, що відповідає виникненню від’ємного диференційного опору на цій ділянці. Спадна ділянка виникає внаслідок зменшення струму, який проходить скрізь двобар’єрну квантову гетероструктуру, із збільшенням напруги. Спад струму відбувається за рахунок зменшення коефіцієнта прозорості потенціальних бар’єрів гетероструктури.
Розроблено математичну модель сенсора температури, на основі якої визначено аналітичні залежності зміни елементів еквівалентної схеми сенсора від температури, а також функції перетворення і чутливості. Показано, що основний внесок в зміни функції перетворення і чутливості сенсора вносить зміна від’ємного диференційного опору із зміною температури. Це, у свою чергу, приводить до різних показників вихідної частоти приладу. Чутливість сенсора змінювалась від 480 кГц/⁰С до 220 кГц/⁰С в діапазоні температур від -150 ⁰С до 50 ⁰С.
Ключові слова: квантова двобар’єрна гетероструктура, тунельно-резонансний діод, від’ємний диференційний опір, частота.

Розширена анотація англійською мовою

Physical processes in a quantum two-barrier heterostructure, which is the basis for the development of tunnel-resonant diodes, are considered. These studies have shown that tunnel resonance diodes can be used as temperature sensors with a frequency output signal. The use of devices with negative differential resistance makes it possible to significantly simplify the design of temperature sensors in the entire radio frequency range, at which, depending on the operating modes of the sensor, an output signal can be obtained both in the form of harmonic oscillations and in the form of impulse oscillations of a special form.
The study of the characteristics of the sensor is based on the equivalent circuit of the tunnel-resonant diode, which takes into account its capacitive and inductive properties. The current-voltage characteristic of the sensor has a falling section, which is responsible for the appearance of a negative differential resistance in this section. The descending section arises due to a decrease in the current that flows through the double-barrier quantum heterostructure, with an increase in voltage. A decrease in the current occurs due to a decrease in the transparency coefficient of the potential barriers of the heterostructure.
A mathematical model of the temperature sensor has been developed, on the basis of which the analytical dependences of the change in the elements of the equivalent circuit of the sensor on temperature, as well as the transformation function and sensitivity, have been determined. It is shown that the main contribution to changes in the conversion function and sensor sensitivity is made by the change in the negative differential resistance with a change in temperature. This, in turn, results in different readings of the instrument’s output frequency. The sensor sensitivity was varied from 480 kHz/0С to 220 kHz/0С in the temperature range from -150 0С to 50 0С.
Keywords: quantum double-barrier heterostructure, tunnel-resonant diode, negative differential resistance, frequency.

References

1. Jackson R.G. Latest sensors. – Moscow: Technosphere, 2007. – 384 p.
2. Schaumburg H. Sensoren. – Stuttgart.: Teubner, 1992. – 517 p.
3. Sensors: Reference Manual / Under total. ed. V.M. Sharapova, E.S. Polishchuk. Moscow: Technosphere, 2012 . – 624 p.
4. Osadchuk V.S., Osadchuk A.V. Radiomeasuring Microelectronic Transducers of Physical Quantities. Proceedings of the 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 21-23 May 2015. Omsk. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147167
5. Microelectronic sensors of physical quantities / Ed. Z. Yu. Gotra. – Lviv: League – Press, vol. 2, 2002. – 475 p.
6. Andreas Pfenning, Fabian Hartmann, Mariama Rebello Sousa Dias and all. Nanothermometer Based on Resonant Tunneling Diodes: From Cryogenic to Room Temperatures. ACS Nano 2015, 9, 6, P.6271–6277.
7. Man Mohan Singh, M.J. Siddiqui. Electrical characterization of triple barrier GaAs/AlGaAs RTD with dependence of operating temperature and barrier lengths. Materials Science in Semiconductor Processing, 2017, 58, P. 89-95.
8. Castro Pablo and Lecuna, Ramón, Manana Mario, Martin Maria Jose and Campo Dolores. Infrared Temperature Measurement Sensors of Overhead Power Conductors. Sensors, VOL.20, 2020, N.24, 7126.
9. Kwang-Jow Gan, Kuan-Yu Chun, Wen-Kuan Yeh. Design of Dynamic Frequency Divider using Negative Differential Resistance Circuit. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication. 2015. Volume: 3 Issue: 8. Р. 5224-5228.
10. Osadchuk V.S., Osadchuk O.V. Reactive properties of transistors and transistor circuits. Vinnitsa: “Universum-Vinnitsa”, 1999. 275 p.
11. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Seletska O.O., Kisała P., Nurseitova K. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors. Proceedings SPIE Volume 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019; 111761I (2019).
12. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Maksat Kolimoldayev, Paweł Komada, Kanat Optical transducers with frequency output. Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments, 2017, 104451X (2017).
13. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Kisała P., Zyska T., Annabaev A., Mussabekov K. Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor. Przegląd Elektrotechniczny. 2017, R93(3), –P.113–116.
14. Altet Josep, Barajas Enrique, Mateo Diego, Billong Alexandre, Aragones Xavier and Perpiñà Xavier. PF-Based Thermal Sensor Circuit for On-Chip Testing of RF Circuits // Sensors 2021, 21, N3. 805. Doi: 10.3390/s21030805
15. Yang Bo, Hu Di, Wu Lei. Design and Analysis of a New Hair Sensor for Multi-Physical Signal Measurement. Sensors 2016, Vol.16, N.7, 1056. DОІ: 10.3390/s16071056
16. Adwait A. Borwankar, Ajay S. Ladkat, Manisha R. Mhetre. Thermal Transducers Analysis. National Conference on, Modeling, Optimization and Control, 4th – 6th March 2015, NCMOC – 2015.
17. Osadchuk I. A., Osadchuk A. V., Osadchuk V. S. and Semenov A. O. Nanoelectronic Pressure Transducer with a Frequency Output Based on a Resonance Tunnel Diode. 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), Lviv-Slavske, Ukraine. 2020. P. 452-457, DOI: 10.1109/TCSET49122.2020.235474.
18. Sze S.M., Kwok K.Ng. Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience: Hoboken, USA, 2007; P. 435–455.
19. Esaki L., Tsu R. Superlattics and negative differential conductivity in semiconductors. IBM J. Res. Develop, vol.14, P. 61-65. Jan., 1970.
20. Jian Pind Sun, George J. Haddad, Pinaki Mazumder and Joel N. Schulman. Resonant Tunneling Diodes: Models and Properties. Proceedings of The JEEE, vol.86, N.4, April 1998, P. 641-661.
21. Tsu R., Esaki L. Tunneling in a finite superlattice. Appl. Phys. Lett., Vol. 22. P. 562-564. June, 1973.
22. Martinez-Duart J.M. Nanotechnology for micro- and optoelectronics / J.M. Martinez-Duart, R.J. Martin-Palma, F. Agullo-Rueda. Moscow: Technosphere, 2007. 368 p.
23. Andreev V.S. Theory of nonlinear electrical circuits: Textbook for universities. Moscow: Radio and communication, 1982. 280 p.
24. Osadchuk O.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.O. Investigation of reactive properties of tunnel resonance diode. Herald of Khmelnytskyi National University. Volume 1. № 4, 2020 (287). P. 160–167.