POKORNÝ, M. Modelování mikrovlnných polovodičových struktur [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2011.
Úvod. Předkládaná disertační práce se věnuje aktuálnímu tématu – návrhu a modelování polovodičových antén a vedení s rozprostřeným zesílením. Problematika modelování a návrhu je v práci řešena komplexně – z hlediska stability struktury, jejího zahřívání a korektního modelování (shoda výsledků modelování s výsledky měření). Publikací, které se věnují numerickému modelování a návrhu polovodičových struktur s rozprostřeným zesílením, je velmi málo, a to zejména kvůli komplexnosti řešeného multifyzikálního problému. Neznám dostupnou publikaci, která by se danou problematikou zabývala komplexně. Originalita řešení. V práci je popsána řada dílčích originálních řešení. Mezi nejvýznamnější původní přínosy podle mého názoru patří: • Vytvoření komplexního numerického modelu, který zahrnuje jevy elektromagnetické, částicové i teplotní; • Využití popsaných jevů při návrhu vedení a antén s rozprostřeným zesílením; • Realizace experimentů pro validaci numerických modelů. Publikování jádra. Originálnost a přínosnost doktorandovy práce potvrzují jeho publikace. Jádro práce bylo zveřejněno ve dvou časopiseckých článcích (Radioengineering) a ve sbornících několika významných evropských konferencí (Loughborough Antennas and Propagation Conference, Mediterranean Microwave Symposium, MIKON). Na realizaci experimentů Ing. Pokorný spolupracoval v rámci dvou stáží s kolegy z Aalto University of Technology (Finsko) a University of Rome Tor Vegata (Itálie). Závěr. Osobně jsem přesvědčen, že předkládaná práce má vynikající úroveň. Proto ji jako doktorandův školitel doporučuji k obhajobě.
Oponentní posudek doktorské disertační práce Ing. Michala Pokorného „Modeling of Microwave Semiconductor Structures“ Prof. Ing. Miloš Mazánek, CSc. Aktuálnost tématu disertační práce Téma disertační práce je bezesporu aktuální, protože na jeho základě bude možné vyvíjet perspektivní komponenty mikrovlnných integrovaných struktur pro stále vyšší kmitočtová pásma. Téma práce rovněž odpovídá oboru disertace. Vychází ze základních fyzikálních popisů chování polovodičových struktur vhodných pro milimetrová kmitočtová pásma. V této části bych více uvítal rozbory kmitočtových pásem pro které je možné uvedené materiály a obvodové struktury využít. Částečnou představu o jednotlivých módech dává obrázek 2.5, který je dále využit i v dalších částech práce pro zařazení výsledků. Toto považuji za velmi vhodné pro porovnání konkrétních situací. Zvolené metody práce Úvodní části práce se zabývají klasickými popisy dielektrických antén a vedení a problematikou popisu a simulace polovodičových struktur. Tuto část, jako i další, kde se autor zabývá popisem chování polovodičů a z nich vytvářených struktur, považuji možná za zbytečně podrobnou vzhledem k zaměření práce a do značné míry kompilační. Toto mé zhodnocení bych však spíše přenechal odborníkovi na mikroelektroniku a sám se věnoval speciální situaci vytváření mikrovlnných struktur s postupnou vlnou. Třetí kapitola obsahuje vlastní cíle práce, kterými byla: - implementace termodynamického modelu do komerčního software a ověření této implementace - dále vývoj modelu šíření ve spojitém materiálu s negativní diferenciální vodivostí ve tvaru vhodném pro mikrovlnné struktury - návrh nového uspořádání s rozložením zesílení Čtvrtá kapitola je věnována implementaci vlastního modelu do komerčního programu COMSOL Multiphysic, a to včetně dílčích fyzikálních parametrů výpočtu diskontinuit a příslušné difuze. V této části je rovněž popisován klasický model Gunnovy diody a jsou zde uvedeny vlastní výpočty teplotního rozložení a vedení tepla. Domnívám se, že právě tato část je do značné míry kompilační z hlediska popisu fyzikálních vlastností, nicméně autor zde pracuje na vytvoření vlastního modelu, což je jeden ze samostatných cílů práce. Pátá kapitola se již zabývá modelováním mikrovlnných struktur s rozloženým efektem. Opět je zde popisován Gunnův efekt v takové struktuře a diskutovány jednotlivé vlastnosti, přičemž popis je podle mého hlediska opět zaměřen značně na fyzikální podstatu vlastního polovodičového materiálu a technologii. Nicméně na obrázku 5.8 je popsáno vývojové schéma celého simulačního software vyvinutého a implementovaného autorem. Z tohoto hlediska jde opět o vlastní přínos autora. Ten je mimoto hned následně ověřován experimentem s opětným zhodnocením pomocí obrázku 5.11 analogicky k obr. 2.5, což považuji za velmi dobré. Jsou uvedeny výsledky modelů rozložení elektrického pole na konkrétním kmitočtu 22 GHz pro jednotlivé vzorky materiálů, které byly pro experiment speciálně vyrobeny. Viz tabulka 5.1. V této části částečně postrádám popis, resp. matematické vyjádření popisu měřicích struktur, které jsou uvedeny na obr. 5.9. Šestá kapitola se zabývá mikrovlnnými vedeními (přenosovými vedeními) s rozloženým zesílením (resp. s postupně rozloženou funkcí). Tuto část považuji za postup, který se ve vývoji nových mikrovlnných součástek pro vysoká kmitočtová pásma bude skutečně čím dál více používat. Určité náznaky i praktické návrhy v literatuře již existují, nicméně v literatuře chybí dobrý teoretický přístup. Zde autor, alespoň jak podle svých znalostí mohu konstatovat, se snažil o poněkud důkladnější přístup, nicméně stále zůstal převážně na fyzikálně orientovaném popisu. Výsledky dílčích modelů uváděných v obrázcích 6.4 až 6.7 považuji za velmi užitečné právě tak, jako popis aktivního mikrovlnného vedení s modely elektrického pole a teplotního rozložení pro distribuované elektronové koncentrace (obr. 6.9, 6.10 a další následující). Zajímavá je rovněž studie koplanárního vedení a porovnání s klasickým mikropáskovým vedením. V celé této šesté kapitole, kde autor rovněž prokázal splnění svých dílčích cílů, nicméně postrádám pokus o analytické řešení problému vrstvených (podélně či příčně) struktur např. pomocí LE, LM, TE, TM struktur. Pravda je, že toto si autor ve svých cílech k dosažení nevytknul, nicméně v budoucnosti takový krok k pochopení vlivu jednotlivých parametrů považuji za velmi užitečný. Simulační procesy pochopitelně mohou vést k určité parametrické představě optimalizace, nicméně jevy, které je možné popsat analyticky (pokud tomu tak bude), považuji za základní. Přínos, nové výsledky, definování a splnění cílů Disertační práce Ing. Michala Pokorného nepochybně přináší nové poznatky, sjednocuje dříve popsané výsledky a zcela nepochybně je přínosem k rozvoji vědy v oblasti mikrovlnných a zejména submikrovlnných (milimetrových) kmitočtových pásem. Cíle byly specifikovány. Práce je zpracována v anglickém jazyce podle mého posouzení na velmi dobré úrovni, vlastní zpracování je velmi pečlivé, převzaté materiály mají uvedeny základní zdroj. Závěrečné zhodnocení Disertant Ing. Michal Pokorný ve své předložené práci „Modeling of Microwave Semiconductor Structures“ prokázal, že ovládá moderní metody vědeckého zkoumání, a to především na softwarových simulacích. Tím si však pochopitelně nemyslím, že pouze softwarové simulace jsou moderní cestou k dalšímu rozšíření vědeckého poznání, ale že rovněž snaha o analytický popis, byť pomocí dílčích aproximací, může vést k rychlým a zásadním krokům při návrhu podobných struktur. Práce tedy obsahuje původní výsledky, lze konstatovat, že vytčené cíle autor splnil a v základní míře publikoval. Tím chci říci, že výsledky jsou natolik zajímavé, že by zasluhovaly publikace na ještě prestižnější úrovni, což však autor v práci naznačuje jako další postup. Doporučuji, aby Ing. Michal Pokorný v souladu s § 47 odst. 4 Zákona č. 111/98 Sb. mohl práci obhajovat před příslušnou komisí a na základě úspěšné obhajoby mu byl udělen vědecký titul Ph.D. v příslušném oboru doktorského studijního programu. Prof. Ing. Miloš Mazánek, CSc. Katedra elektromagnetického pole FEL ČVUT v Praze V Praze dne 14.4.2011
Oponentský posudek na doktorskou disertační práci Ing. Michala Pokorného: Modeling of Microwave Semiconductor Structures Fyzikální simulace polovodičových struktur je v současné době nepostradatelná při návrhu nových polovodičových součástek a technologií. Dostupné komerční systémy umožňují simulovat jak statické, tak i dynamické transportní jevy ve strukturách tvořených různými materiály. Oblast mikrovnných struktur a jejich simulace jde však nad rámec použitelnosti komerčních TCAD systémů. Vzhledem ke své náročnosti vyžaduje použití nových aproximativních metod a modelů. Volba tématu doktorské disertační práce proto vyhovuje požadavku na aktuálnost a perspektivnost dané oblasti. Autor práci rozdělil na 7 kapitol. Po úvodu je ve 2. kapitole podán stručný přehled studovaných mikrovlnných struktur a fyzikálních rovnic popisujících transportní jevy. Hlavní důraz je kladen na popis aktivních struktur využívajících záporný diferenciální odpor materiálu (zejména GaAs) a interakci s cirkulující vlnou. 3. kapitola stručně definuje konkrétní cíle práce. Ve čtvrté kapitole jsou shrnuty použité transpotní modely včetně modelu generace a vedení tepla. Tyto modely jsou autorem implementovány do obecného matematického systému COMSOL Multiphysics. Autor shrnuje použité okrajové podmínky a nastavení jednotlivých fyzikálních parametrů. Vhodnost zvolených modelů je ověřena porovnáním se simulacemi pomocí komerčního systému TiberCAD a to na jednoduchém příkladu PN přechodu. Při simulaci Gunnovy diody autor sleduje teplotní závislosti (zejména vliv chlazení). Porovnání s komerčním systémem zde už bohužel chybí. V 5. kapitole jsou porovnány dva různé analytické modely pohyblivosti v GaAs pro simulaci Gunnova jevu. Autor provedl i srovnání s výsledky přesnější simulace metodou Monte Carlo uvedenými v literatuře a to pro různé teploty i frekvence. Druhou část kapitoly tvoří stručný popis experimentu. Jedná se o měření transmisivity čtyř různých vlnovodů (1 laminátový a 3 křemíkové s různou úrovní dotace) v intervalu frekvencí 18 - 27 GHz. Výsledky jsou porovnány s vypočtenými hodnotami. Vědecké jádro práce podle mne tvoří 6. kapitola, kde jsou uvedeny výsledky simulací aktivní vlnovodné mikropáskové struktury a pasivní i aktivní koplanární struktury na bázi GaAs s využitím autorem navržených modelů. Parametr ztrát v substrátu je optimalizován porovnáním s experimentálními daty uvedenými v literatuře. U navržené mikropáskové struktury simulace indikují možnost vyššího zisku a vyšší mezní frekvence než u, v literatuře publikované, koplanární struktury. Závěrečná kapitola pouze shrnuje dosažené výsledky. Trochu mi zde chybí jejich důkladnější zhodnocení ve světovém kontextu a naznačení možností dalšího rozvoje použitých modelů a jejich širšího uplatnění. Práce je po grafické a formální stránce velmi dobře zpracována. členění na kapitoly však není vždy zcela srozumitelné. Kladně hodnotím relativně rozsáhlý seznam použité literatury. Některé citace jsou ale nepřesné (např. [25] LUGI - má být JACOBONI, C., LUGLI, P.) . Relativně velké množství nepřesností jsem nalezl i v textu práce. Např: str. 18, dole - low mobility (GaAs) má být asi high mobility (GaAs) str. 20, pod rovnicí (2.1) - p = hr má být p = hk str. 94 - 500 GHz má být 500 MHz K vlastnímu obsahu práce mám tyto dotazy a připomínky: 1. Na str. 61 uvádíte, že slabě dotovaný křemík s v průmyslu příliš nepoužívá. S touto formulací nesouhlasím. Můžete své tvrzení vysvětlit? 2. Na str. 60 uvádíte, že jste nemohl provést 3D simulace díky chybě v programovém balíku COMSOL. Jak moc to ovlivnilo podle Vašeho názoru odbornou kvalitu práce? 3. Expriment s křemíkovými a laminátovým vlnovodem je popsán velmi stručně. Prováděl jste ho sám a můžete ho podrobněji popsat včetně použitých přístrojů? 4. Ve 4. kapitole uvádíte programy DESSIS a TiberCAD jako zástupce komečních nástrojů pro součástkovou simulaci. Mohl byste uvést ještě další komerční nástroj a zhodnotit zda by byl některý z těchto programů vhodný pro řešení transportu v mikrovlnných strukturách? Na závěr mohu konstatovat, že autor prokázal schopnost samostatné tvůrčí vědecké práce. Předložená práce obsahuje nové vědecké poznatky a postupy, které byly publikovány na mezinárodních konferencích a v impaktovaném časopise a splňuje kritéria kladená na doktorskou disertační práci. Celkovou odbornou úroveň práce hodnotím i přes některé výhrady kladně. Doporučuji proto práci Ing. Michala Pokorného k obhajobě. Doc. RNDr. Jan Voves, CSc. V Praze dne 20. 4. 2011
eVSKP id 40738