РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 1, с. 102-104
^ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.315.592
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ШУМОВОГО ВОЗМУЩЕНИЯ НА ПРОВОДИМОСТЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ИЗ ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ © 2014 г. К. М. Алиев, И. К. Камилов, Х. О. Ибрагимов, Н. С. Абакарова
Институт физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского научного центра РАН Российская Федерация, Республика Дагестан, 367003, Махачкала, ул. Ярагского, 94 E-mail: abakarova_naida@ mail.ru Поступила в редакцию 14.02.2013 г.
На примере модельных нелинейных цепей из туннельных диодов, являющихся аналогами нейронных сетей, экспериментально показана возможность подавления стреляющего (firing) режима с помощью шумового сигнала с равномерным спектром в диапазоне частот (5...7 х 106) Гц и соответствующим значением по напряжению.
Б01: 10.7868/80033849413120012
В настоящее время интенсивно исследуют нелинейные цепи, состоящие из п последовательно соединенных полупроводниковых структур с отрицательными дифференциальными сопротивлениями [1, 2].
Как показано в работе [1], электронный перенос в сверхрешетках или в последовательности квантовых ям может быть аппроксимирован эквивалентной нелинейной цепью, состоящей из последовательно соединенных туннельных диодов. Эти исследования имеют важные прикладные аспекты, касающиеся динамики нейронных систем, запоминающих устройств с произвольным порядком выборки, цифровых логических систем и т.д. [1—3].
В модели, развитой в [1] для нелинейных цепей, показано, что разнородность свойств элементов, составляющих цепь, приводит к неоднородному распределению напряжения на отдельных диодах и к когерентности токов, протекающих через ее элементы. Это приводит к возникновению множества ветвей на общей вольтамперной характеристике (ВАХ). В работе [2] был обнаружен комплекс бифуркационных сценариев с нарушающими симметрию переходами, которые в последующем через вырождение бифуркаций нулевого собственного значения приводят к мультиустойчивым токовым ветвям в цепи нелинейных элементов. В связи с этим представляет интерес изучение отклика таких нелинейных цепей на внешние возмущения.
Ранее нами при исследовании отклика полупроводниковых структур с нелинейными свойствами на внешние гармонические и шумовые возмущения большой амплитуды был обнаружен
целый ряд неординарных явлений: ступенчатые осцилляции тока, эффект абсолютного отрицательного сопротивления, многозначности и Z-об-разные участки на ВАХ туннельных диодов [4—9]. В данной работе приведены результаты экспериментального исследования отклика нелинейных цепей из туннельных диодов на внешние возмущения от источника электрического шумового сигнала с равномерным спектром в диапазоне (5...7 х 106) Гц, гауссовским распределением мгновенных значений напряжения и регулируемым в широких пределах уровнем выхода.
Схема измерений состоит из генератора сигналов специальной формы, токоснимающего сопротивления R¡ = (5.50) Ом, цепи из n туннельных диодов, многофункционального генератора Agilent 81150. ВАХ цепи измеряли на пилообразном напряжении смещения с длительностью Тц в пределах 10 мкс...10 с и регистрировали двухкоор-динатным самопишущим потенциометром или четырехканальным осциллографом Tektronix MSO 4034. Падение напряжения на каждом диоде U¡ регистрировали при помощи дифференциальных усилителей. Разнородность свойств элементов цепи по емкости сводили к минимуму подбором одинаковых емкостей, которые подключали параллельно диодам, а неоднородность распределения напряжения на отдельных элементах цепи — тщательным подбором самих элементов по наилучшему совпадению ВАХ отдельных диодов. Сформированная подобным образом цепь при приложении напряжения смещения представляет собой n-мерную нелинейную динамическую си-
l02
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ШУМОВОГО ВОЗМУЩЕНИЯ НА ПРОВОДИМОСТЬ
103
стему, подверженную реакции связи по общему напряжению.
На рис. 1 представлены ВАХ и зависимость падения напряжения на каждом отдельном из четырех (п = 4) диодов от величины смещения, приложенного к цепи. При этом внешнее возмущение отсутствовало, нагрузочное сопротивление было равно Я1 = 20 Ом, длительность линейно нарастающего напряжения — Тц=10 с. Проявляющиеся экспериментально токовые ветви и изменение потенциала на отдельных диодах характерны для подобных цепей, но последовательность включения самих диодов не всегда однозначна и существенно зависит от параметров диодов. В наших экспериментах при прочих равных условиях первым включался диод с малой собственной емкостью. Кроме того, исследования показали, что диоды могут включаться в любой последовательности в зависимости от их характерных пиковых параметров. Разброс параметров диодов играл роль шумового фона для этой нелинейной цепи.
По величине потенциала Ц на отдельных диодах можно оценить разброс параметров диодов в данной цепи. Вместе с тем, когда в цепь включены п диодов, и ВАХ цепи имеет п ветвей, практически невозможно по ВАХ идентифицировать туннельные и диффузионные вклады общего тока в цепи, так как диффузионная часть тока предыдущего диода совпадает с туннельной составляющей для последующего.
При увеличении количества диодов в цепи до восьми поведение потенциала становится более разнообразным, хотя число ветвлений тока на ВАХ всегда равно числу диодов в цепи, даже если встречаются случаи совпадения потенциалов на двух диодах при практически одном и том же по величине и порогу смещения в цепи. Если ВАХ отдельных диодов на падающем ^-участке имеют одну или более ступенек, связанных обычно с различными уровнями примесей и их распределением в р-п-переходе, то при соединении таких диодов в цепь последовательно эти ступени сглаживаются или совершенно исчезают. Это обусловлено самоорганизующей и фильтрующей ролью суммарных параметров сопротивлений, емкостей и индуктивностей цепи. Замечено, что с добавлением в цепь последующего диода пиковые значения тока /макс и /мин первого диода существенно смещаются в область больших значений по оси напряжений на ВАХ.
Так как исследуемые нелинейные цепи могут найти важные прикладные применения, мы проверили влияние на проводимость таких цепей внешних гармонических и шумовых возмущений большой амплитуды. На рис. 2 приведены ВАХ по постоянному току для цепи из четырех диодов при наложении шумового возмущения с ростом величины его амплитуды. При этом обнаружено, что:
Рис. 1. Изменение потенциала Ц на диодах (кривые 1-4). Номера кривых соответствуют нумерации диодов в цепи. Кривая 5 — общая ВАХ цепи из четырех диодов.
Рис. 2. ВАХ цепи из четырех диодов при воздействии шумового сигнала в диапазоне частот (5...7 х 106) Гц. Кривые 1-6 соответствуют напряжению на выходе генератора Г2-59: 0, 0.25, 0.64, 1.60, 3.85, 4.20 В.
1) амплитуда токовых ветвей на ВАХ полностью подавляется;
2) на первой ветви ВАХ появляется участок с абсолютной отрицательной проводимостью;
3) остальная часть цепи при этом проявляет только постоянную составляющую, приблизительно параллельную оси напряжений во всем интервале прилагаемых смещений;
4) подавление амплитуды токовых ветвей на ВАХ существенно зависит от спектрального состава шумов. В диапазонах (5.6 х 105) Гц и (5.7 х 105) Гц при одной и той же амплитуде более высокочастотная (ВЧ) гармоника, входящая в спектр ча-
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 59 № 1 2014
104
AЛИЕВ и др.
стот шумов, эффективнее способствует исчезновению ветвей.
Отметим, что при наложении гармонического ВЧ-сигнала с частотой до 100 МГц с ростом его амплитуды характерными особенностями ВАХ цепи являются:
1) существенное, но неполное подавление токовых ветвей;
2) возникновение многозначностей на ВАХ, т.е. увеличение числа падающих ^-участков;
3) возникновение на первой ветви ВАХ участка с абсолютной отрицательной проводимостью.
Все полученные результаты полностью воспроизводятся и для цепей с n = 8.
Известно [1—3], что аналогичные токовые ветви образуются в нейронах при их возбуждении ин-жекционными токами. Причем, при промежуточных инжекционных токах возникает так называемый "стреляющий" (firing) режим, который играет критическую роль в подобных системах. Полупроводниковые структуры, в частности, исследуемая цепь туннельных диодов, достаточно точно имитируют электрическую активность биологических нейронов, являясь моделью нейронных цепей. Обнаруженное нами экспериментально при шумовом воздействии на туннельные цепи подавление токовых ветвей может найти интересное и важное для нейронных систем применение. Если, как и в ситуации с туннельными цепями, при помощи шумов определенного диапазона частот и амплитуд удастся погасить такой критический
"стреляющий" режим в нейросетях, то станет очевидна важность аналогии полученного в нелинейных цепях результата. В качестве примера можно привести тремор в случае болезни Пар-кинсона, подавление которого значительно улучшит качество жизни пациента.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №12-02-96500-р_юг_а).
СПИСОК ЛИTЕРATУРЫ
1. Xu H., Teitsworth S. // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. № 4. P. 043705.
2. Heinrich H., Dahms T., Flunkert V. et al. // New J. Phys. 2010. V 12. № 11. P. 113030.
3. Izhikevich E.M. Dynamical Systems in Neuroscience: The Geometry of Excitability and Bursting. L.: MIT Press, 2007.
4. Aliev K.M., Kamilov I.K., Ibragimov Kh.O., Abakaro-va N.S. // Sol. State Commun. 2008. V. 148. № 3-4. P. 171.
5. Алиев К.М., Камилов И.К., Ибрагимов Х.О., Абака-рова Н.С. // Фт 2009. T. 43. № 4. С. 517.
6. Алиев К.М., Камилов И.К., Ибрагимов Х.О., Абака-рова Н.С. // ЖTФ. 2011. T. 81. № 2. С. 141.
7. Алиев К.М., Камилов И.К., Ибрагимов Х.О., Абака-рова Н.С. // Прикладная физика. 2011. № 1. С. 126.
8. Алиев К.М., Камилов И.К., Ибрагимов Х.О., Абака-рова Н.С. // Письма в ЖTФ. 2011. T. 37. № 17. С. 42.
9. Алиев К.М., Камилов И.К., Ибрагимов Х.О., Абака-рова Н.С. // Фт 2012. T. 46. № 8. С. 1082.
Сдано в набор 11.09.2013 г. Подписано к печати 18.11.2013 г. Дата выхода в свет 23 ежем. Формат 60 X 881Д Цифровая печать Усл. печ. л. 13.0 Усл. кр.-отт. 2.2 тыс. Уч.-изд. л. 13.0 Бум. л. 6.5
Тираж 161 экз.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.