Mathematical model of a frequency pressure transducer based on a resonant tunneling diode

О.В. Осадчук; В.С. Осадчук; Я.О. Осадчук

doi:10.15330/pcss.23.2.277-284

Автор(и)

О.В. Осадчук Вінницький національний технічний університет, Вінниця, Україна
В.С. Осадчук Вінницький національний технічний університет, Вінниця, Україна
Я.О. Осадчук Вінницький національний технічний університет, Вінниця, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.277-284

Ключові слова:

резонансний тунельний діод, тиск, від’ємний диференціальний опір, частота, квантова гетероструктура з подвійним бар'єром

Анотація

У роботі представлено конструкцію сенсора тиску з частотним вихідним сигналом, що базується на фізичних процесах у резонансно-тунельному діоді під дією тиску. Використання приладів з від’ємним диференціальним опором дозволяє значно спростити конструкцію сенсорів тиску у всьому радіочастотному діапазоні. Залежно від режимів роботи сенсора, вихідний сигнал може бути отриманий у вигляді гармонійних коливань. Дослідження характеристик сенсора тиску базується на повній еквівалентній схемі резонансно-тунельного діода, що враховує його ємнісні та індуктивні властивості. Розроблено математичну модель сенсора тиску, на основі якої визначено аналітичні залежності зміни елементів тунельно-резонансного діода від тиску, а також функції перетворення та чутливості сенсора. Показано, що основний внесок у зміну функції перетворення та чутливості сенсора вносить зміна від’ємного диференціального опору зі зміною тиску. Це, у свою чергу, приводить до зміни вихідної частоти приладу. Чутливість сенсора змінювалась від 1,15 кГц/Па•10⁵ до 14,16 кГц/Па•10⁵ у діапазоні тиску від 50•10⁵ Па до 350•10⁵ Па.

Посилання

K. Mutamba, M. Flath, A. Sigurdardottir, A. Vogt, H.L. Hartnagel, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, A GaAs pressure sensor with frequency output based on resonant tunneling diodes 48(6), 1333 (1999): https://doi.org/10.1109/19.816157.

R. Fobelets, G. Borghs, Vounkx, J. Micro-mech. Microend, A GaAs pressure sensor based on resonant tunneling diodes 4, 123 (1994).

J.D. Alberecht, L. Cond, P.P. Ruden, M.I. Nathan, L.L. Smith, J. Appl. Phes, Resonant tunneling in (001) and (111) –oriented III-V double barrier hetorostructures under transverse and longitudinal stress 79(10), 7763 (1996).

V.S. Osadchuk, A.V. Osadchuk, I.A. Osadchuk, Bulletin of the Khmelnitsky National University. Engineering Sciences, Microelectronic pressure transducer with frequency output based on tunneling resonance diode, 1(221), 97 (2015).

I.A. Osadchuk, A.V.nOsadchuk, V.S. Osadchuk, A.O. Semenov, Nanoelectronic Pressure Transducer with a Frequency Output Based on a Resonance Tunnel Diode, Proc of IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), 25-29.02.2020 (Lviv-Slavske, Ukraine, 2020). P. 452; https://doi.org/10.1109/TCSET49122.2020.235474.

A.V. Osadchuk, I.O. Osadchuk, A.O. Semenov, Journal of Nano- and Electronic Physics,The Mathematical Model of Radio-measuring Frequency Transducer of Optical Radiation Based on MOS Transistor Structures with Negative Differential Resistance Vol.13, N4 (2021); https://doi.org/10.21272/jnep.13(4).04001.

I.T. Awan, Optical and Transport of pin GaAs-AlAs resonant tunneling diode. PhD thesis (Universidade Federal de São Carlos, Sao Carlos, 2014).

J.M. Martinez-Duart, R.J. Martin-Palma, F. Agullo-Rueda, Nanotechnology for Micro- and Optoelectronics, Technosphere (Moscow, Russia, 2007).

V.E. Borisenko, Physical foundations of nanoelectronics. Part 1 (BSUIR, Minsk, Belarus, 2001).

S.M. Sze, K.Ng. Kwok, Physics of Semiconductor Devices (Wiley-Interscience, Hoboken, USA, 2007).

H. Saadiah, W.M. Jubadi, N. Ahmad, M.H. Jabbar, Journal of Physics: Conf. Series, Resonant Tunneling Diode Design for Oscillator Circuit 1049, 012069 (2018).

A. Carlo, C.A. Di, P. Lugli, Semicond. Sci. Technol., Valley mixing in resonant tunneling diodes with applied hydrostatic pressure 10, 1673 (1995),

J.P. Sun, G.J. Haddad, P. Mazumder, J.N. Schulman, Proceedings of The IEEE, Resonant Tunneling Diodes: Models and Properties 86(4), 641 (1998).

A.V. Osadchuk, V.S. Osadchuk, I.A. Osadchuk, P. Kisała, T. Zyska, A. Annabaev, K. Mussabekov, Przegląd Elektrotechniczny, Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor R 93(3), 113 (2017).

Tao Wei, Impedance, equivalent circuit and capacitance of double barrier resonant tunneling diode. Simon Fraser University (1994). P. 112.

Ryunosuke Izumi, Takumi Sato, Safumi Suzuki, and Masahiro Asada, AIP Advances, Resonant-tunneling-diode terahertz oscillator with a cylindrical cavity for high-frequency oscillation 9, 085020, (2019); https://doi.org/10.1063/1.5114963.

L. Cong, J.D. Albrecht, M.I. Nathan, and P.P. Ruden, Journal of Applied Physics, Piezoelectric effect in (001)‐ and (111)‐oriented double‐barrier resonant tunneling devices 79, 7770 (1996); https://doi.org/10.1063/1.362382.

W. Yan, A. Page, T. Nguyen‐Dang, Y. Qu, F. Sordo, L. Wei, F. Sorin, Advanced Multimaterial Electronic and Optoelectronic Fibers and Textiles. Advanced Materials 31, 1802348 (2019); https://doi.org/10.1002/adma.201802348.

Changyong Gao, Yong Wang, Zihan Ye, Zhihua Lin, Xing Ma, Qiang He, Advanced Materials, Biomedical Micro‐/Nanomotors: From Overcoming Biological Barriers to In Vivo 2000512 (2020); https://doi.org/10.1002/adma.202000512.

W. Yan, I. Richard, G. Kurtuldu et al., Nat. Nanotechnol., Structured nanoscale metallic glass fibres with extreme aspect ratios 15, 875, (2020); https://doi.org/10.1038/s41565-020-0747-9.