Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Поскольку напряжение на диоде U равно U=El, где / - длина кристалла, то дифференциальная проводимость Сд составляет

(6.8)

dU ~ I dE

При dvldE<0 дифференциальная проводимость, а также дифференциальное сопротивление становятся отрицательными, что обусловливает возможность использования диодов Ганна в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний. Так как переход между щелями осуществляется за время порядка 10~с. диоды Ганна хорошо работают на свч.

Если напряженность внешнего поля Е соответствует падающему участку характеристики рис. 6.9, то в кристалле возникает тенденция к образованию движущихся под действием внешнего поля обогащенных и обедненных электронами слоев. Между такими слоями существуют резко очерченные области сильного электрического поля, или домены. Период генерируемых колебаний можно оценить по времени прохождения домена через кристалл. Скорость движения домена совпадает со средней скоростью электронов v. Полагая, что последняя составляет W см/с, при типичной толщине кристалла 10 мкм получаем время прохождения 10-° с и частоту генерации 10 ГГц.

Если необходимо получить колебания более высокой частоты, толщина кристалла становится слишком малой. В этом случае используют несколько другой механизм генерации, не связанный непосредственно с временем прохождения домена через весь кристалл. Домен формируется в течение некоторого отрезка времени. Поместив диод в резонатор с достаточно высокой добротностью, можно воспрепятствовать полному формированию домена; который уже в начале своего формирования наводит в резонаторе ток и отдает мощность во внешнюю цепь. Возникающее в резонаторе напряжение вычитается из напряжения источника пи-гания диода, в результате чего напряженность электрического поля в диоде уменьшается. При достаточно большой добротности резонатора напряженность полпя в диоде падает ниже того порогового значения, при котором динамическое сопротивление диода отрицательно, и домен рассасывается. Начало формирова ния нового домена определяется тем моментом времени, когда в результате изменения высокочастотного напряжения в резонаторе напряженность поля в кристалле вновь превысит пороговое значение, а затем процесс повторяется. Такой механизм генерации получил название режима ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ частота генерации может быть значительно повышена, поскольку она определяется внешним резонатором, а не размерами кристалла и характером движения домена.

В настоящее время генераторы свч, основанные на эффекте Ганна, перекрывают диапазон частот от 100 МГц до 60 ГГц. Мощности генерации в непрерывном режиме составляют единицы - сотни милливатт, кпд -единицы процентов. Перестройка возможна в пределах 10-20% механически или с применением варакторов. Электронная перестройка значительно более узкополосна.

Выходные мощности в импульсе не превышают, как правило, 10 Вт, однако имеются сведения о лабораторных разработках, при которых в режиме ОНОЗ получены на частотах 1,75 и 7 ГГц импульсные мощности в единицы киловатт.

По зарубежным данным, генераторы на диодах Ганна конструируются сейчас для прямой замены отражательных клистронов в связном оборудовании, в допплеровских и импульсных радиолокационных станциях, в измерительной технике и т. д. При этом уменьшаются шумы системы, мощность питания, нагрев системы, и увеличивается надежность.

§ 6.4. ТРАНЗИСТОРЫ И ПАРАЛ\ЕТРНЧЕСКНЕ ДИОДЫ СВЧ

Кроме ТД, для усиления колебаний свч все шире используются транзисторы и параметрические диоды. Для повышения рабочей частоты транзисторов постоянно изыскиваются способы уменьшения времени пролета носителей заряда между эмиттером и коллектором, уменьшения емкости коллекторного перехода и выходного сопротивления транзистора. При этом, как правило, необходимо-уменьшать габариты транзисторного кристалла и одновременно улучшать тепло-отвод. Специальные корпусы для свч транзисторов позволяют значительно уменьшить паразитные реактивности токовводов. Наилучшие результаты достигаются при монтаже транзисторного кристалла непосредственно в полосковую линию; Для уменьшения времени пролета применяют материалы с высокой подвижностью носителей зарядов, например, арсенид галлия. Последнее время появились сообщения о разработке свч полевых транзисторов с барьером Шотки, которые по-видимому, позволят расширить рабочую полосу транзисторов до 10 ГГц.

Эти методы позволили существенно повысить рабочую частоту и выходную-мощность свч транзисторов, промышленный выпуск которых уже освоен в ряде стран. На частоте 1 ГГц достигнута выходная мощность 20 Вт при кпд более 50%, на частоте 5 ГГц мощность составляет 0,4 Вт при кпд 5%. Транзисторные усилители свч являются, в принципе, весьма широкополосными, а также относительно малошумящими устройствами (коэффициент шума некоторых приборов составляет всего 2 дБ). Уже сейчас транзисторные усилители успешно конкурируют в диапазоне до 4 ГГц с малошумящими маломощными ЛБВ.

Лучшие параметры, меньшие стоимость, размеры и мощность питания, большая долговечность этих приборов приводят к замене ЛБВ во многих вновь создаваемых системах. Например, радиорелейные системы связи в Японии в последние годы переводятся на полупроводниковые приемопередатчики в 2, 4 и 6 ГГц диапазонах.

В параметрических усилителях свч в качестве элементов с электрически управляемой емкостью используются параметрические диоды, или варакторы. В варакторах используется известное свойство обратно смещенного р-п-перехода - менять емкость при воздействии приложенного напряжения. Усилители данного типа обладают малыми шумами и потому позволяют существенно повысить чувствительность приемников свч. При охлаждении диодов до температуры жидкого азота (77 К) шумы параметрических усилителей становятся сравнимыми с шумами квантовых парамагнитных усилителей (см. § 8.4).

Параметрические усилители освоены в диапазоне до 70 ГГц. Они довольно широко применяются в качестве входных каскадов назе.мной приемной аппаратуры систем связи через искусственные спутники Земли. Недостатком параметрических усилителей является необходимость дополнительного источника свч генератора накачки, а также потребность в жидком азоте для особо малошумящих усилителей.

К числу полупроводниковых приборов свч относятся также детекторные и

Iсмесительные диоды, в качестве которых используются диоды с точечным контактом и диоды с барьером Шотки (диоды на горячих носителях). Последние образованы плоскостным переходом металл-полупроводник. Благодаря боль-нюй подвижности электронов и малой емкости р-и-перехода диоды с барьером-Шотки можно использовать в свч диапазоне. По сравнению с точечно-контакг-ными они обладают рядом преимуществ: меньшими шумами, высоким кпд преобразования, высоким напряжением пробоя, большей допустимой мощностью и. следовательно, большей надежностью. Детекторные и смесительные диоды в настоящее время могут работать на частотах вплоть до 300-500 ГГц.



Часть 2

Квантовые приборы

ГЛАВАСЕДЬМАЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ КВАНТОВЫХ

ПРИБОРОВ

§ 7.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

Движение объектов микромира подчиняется законам квантовой механики. Электроны, входящие в состав атома, и атомы, входящие в состав молекулы, находятся во вращательном или в колебательном движении, что определяет внутреннюю энергию W квантовой системы, т.е. ту энергию, которая не связана с движением системы как единого целого. Внутренняя энергия системы связанных микрочастиц, например, атома, состоящего из ядра и электронов, может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения: ir=W7b Wz. Ws...

Квантование энергии является следствием волновых свойств связанных микрочастиц. Известно, что все микрочастицы обладают волновыми свойствами. Движение микрочастицы по определенной траектории правильнее рассматривать как сложный колебательный процесс. Де Бройлем было показано, что длина волны Я, частицы, обладающей импульсом р,

X = hlp = hlmv, (7.1)

где m - масса частицы; v - скорость ее движения; Л = 6,625 10 * Дж-с - постоянная Планка.

Движение микрочастицы, не ограниченное в пространстве, например движение свободного электрона в вакууме, сходно с распространением бегущей волны, для которой длина волны может быть произвольной. Согласно ф-ле (7j1) скорость частицы, а следовательно, и ее энергия имеют непрерывный спектр значений, не квантуются.

Иная картина наблюдается, если движение микрочастицы связанное, т. е. движение ограничено в пространстве вследствие взаимодействия данной частицы с другими частицами или полями.

- 118 -

Связанным является, например, движение электрона в атоме, взаи-I модействующего с ядром и другими электронами. Такое движение частицы можно уподобить стоячей волне, образующейся в ограниченном объеме, для которой возможны лишь определенные дискретные значения длин волн. Следовательно, для связанной частицы, равно как и для системы из связанных частиц, допустимы лишь некоторые квантованные уровни энергии, образующие дискретный энергетический спектр.

Простейший атом -атом водорода - состоит из ядра, содержащего один протон, и одного электрона. Энергии уровней U7 атома водорода (в эВ) в пер-1 вом приближении описываются формулой

(7.2>

где га-1, 2, 3... - главное квантовое число, характеризующее среднюю удаленность электрона от ядра.

Энергетические уровни атома водорода, вычисленные по ф-ле (7.2), показаны на рис. 7.1. Расстояние между уровнями при уменьшается. При ]>0

О

уровни энергии не квантуются (образуют непрерывный спектр), так как электрон, имеющий положительную энергию, является свободным и может уходить иа бесконечное расстояние от ядра.


Рис. 7.1. Диаграмма энергетических уровней атома водорода

Рис. 7.2. Орбитальный и спиновый моменты электрона в атоме

При каждом значении числа га электрон обладает орбитальным моментом количества движения I, который определяется движением электрона вокруг ядра-(рис. 7.2):

1 = т [rv],

где V - скорость электрона; г - его радиус-вектор.

Поскольку электрон дополнительно как бы вращается вокруг собственной оси, он обладает еще спиновым моментом количества движения ( спином ) s. Полный момент количества движения электрона j складывается из орбитального и спинового моментов:

j = --s. (7.3)-

При движении электрона по орбите, как и при всяком протекании тока, возникает магнитное поле, причем орбитальный магнитный момент ц; составляет

1г = (-е/2т)1.



Спиновое движение приводит к появлению у электронов спинового магнитного момента (л -

Взаимодействие этих магнитных моментов называется спин-орбитальным взаимодействием. Энергия спин-орбитального взаимодействия зависит от ориентации векторов Ц( и (Is- Моменты, а также их проекции на произвольную ось z квантуются по определенным правилам. Поэтому уровни энергии с неравными гулю значениями 1 не являются одиночными, а расщепляются на ряд подуровней в соответствии с числом возможных проекций, что называется тонкой структурой. Название тонкая она носит потому, что расщепление уровней мало по сравнению с расстоянием между уровнями с различными п.

У атомов многих веществ наблюдается также сверхтонкая структура. Она возникает из-за взаимодействия магнитных моментов электронов со слабыми магнитными полями ядер.

Состояние сложного атома определяется состоянием и взаимодействием входящих в его состав электронов. Если спин-орбитальное взаимодействие для одного и того же электрона невелико по сравнению со взаимодействием между орбитальными моментами различных электронов и со взаимодействием спинов между собой, то орбитальные моменты отдельных электронов складываются в суммарный орбитальный момент атома L а спиновые моменты - в суммарный спиновый момент S:

Полный момент атома J определяется суммой L и S:

J = L + S.

(7.4)

(7.5)

Формулы (7.4) и (7.5) можно применять к атомам парамагнитных веществ

Л1ногоатомная молекула состоит из ансамбля микрочастиц и потому является квантовой системой, однако энергетический спектр ее сложнее, чем у атома. В первом приближении полная внутренняя энергия молекулы может быть представлена в виде суммы трех слагаемых.

(7.6)

Здесь и^эл зависит от конфигурации электронов в молекуле и может быть названа электронной энергией молекулы. Второе слагаемое Who л, называемое колебательной энергией молекулы, возникает вследствие колебаний атомов в молекуле. Наконец, вращением молекулы определяется последнее слагаемое - вращательная энергия и^вр- По вкладу в общую энергию эти слагаемые резко различаются. Наибольший вклад дает электронная энергля, наименьший - вращательная энергия. Рассмотрим рис. 7.3. Расстояние между соседними э.шктрон-ными уровнями 1 у 1молекул того .же порядка, что 1и у атомов, и составляет несколько электрон-вольт. В каждом электронном состояиии молекулы входящие в ее состав атомы могут совершать колебательные движения с различными энергиями. Поэтому над каждым электронным уровнем расположен ряд колебательных уровней 2, отстоящих друг от друга на расстоянии десятых-сотых долей электрон-вольта. Наконец, между колебательными уровнями расположены вращательные уровни 3, поскольку каждое колебательное состояние может сочетаться с набором допустимых вращательных состояний. Расстояние между вращательными уровнями молекул составляет 10--10 * эВ.

Рассмотренная картина, естественно, несколько упрощена. В действительности между различными состояниями молекулы существует взаимодействие, н ф-ла (76) носит приближенный .характер.


Рнс. 7.3. Схема энергетических уровней молекулы:

/ - электронные; 2 - колебательные; 3 - вращательные

§ 7.2. ВЫНУЖДЕННЫЕ И СПОНТАННЫЕ КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Выше было показано, что атомы и молекулы могут находиться в различных квантованных состояниях. При постоянной температуре в изолированной квантовой системе устанавливается определенное равновесное распределение микрочастиц по энергетическим уровням. Это распределение обусловливается взаимодействием вещества с полем теплового излучения и носит характер динамического равновесия. В системе постоянно происходят квантовые переходы частиц с одних энергетических уровней на другие. При переходе с более низкого уровня Wn на более высокий Wm частица поглощает энергию, равную Wm-Wn, а при обратном переходе отдает ее.

Наибольшее число частиц находится на основном уровне с минимальным значением энергии. Частица, поглотившая энергию, переходит из основного состояния в одно из возбужденных. Возбужденное состояние частицы является неустойчивым, и через некоторый интервал времени она самопроизвольно под действием внутренних возмущений переходит на нижний уровень.

Квантовые переходы являются случайными процессами и характеризуются определенными вероятностями. Рассмотрим изолированный атом, обладающий для простоты лишь двумя уровнями: верхним W2 и нижним Ui. Вероятность самопроизвольного перехода атома в единицу времени с уровня 2 на уровень / обозначим А. Возьмем квантовую систему, состоящую из указанных атомов, причем отдельные атомы достаточно удалены друг от друга и между собой не взаимодействуют. Этому условию удовлетворяет, например, сильно разреженный газ. Число частиц Ni, содержащихся в 1 см вещества и находящихся на i-м энергетическом уровне, называется населенностью этого уровня. Пусть населенность верхнего уровня Nq- За время dt часть атомов перейдет на нижний уровень. Очевидно, число таких переходов dn2i пропорционально вероятности перехода, населенности уровня и отрезку времени, т. е.

dna = AN. \

Изменение населенности верхнего уровня за то же время составит

dNi-dn2,= - ANidt, откуда, интегрируя, найдем

N2N e . (7.7>

где N20 - населенность уровня W2 в момент времени t=0.

Последнее выражение определяет экспоненциальный закон убывания населенности уровня в функции от времени'). Величина, обратная вероятности перехода А, называется средним временем жизни микрочастиц на да.чном уровне:

т =- 1/А. (7.8а>

) При выводе ф-лы (7 7) не учитывались переходы с нижнего уровня на верхний, и поэтому при <->-оо населенность Л'2- -0. Это справедливо только пр температуре абсолютного нуля 7 =0 К В других случаях по экспоненциальному закону убывает не населенность N2, а разность между населенностью N2 и ее равновесным значением, которое больше нуля.

1178



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30