И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Относительная нестабильность частоты водородного генератора может быть 10 'з — 10 'з. Мощность не превышает 10 в Вт. Аналогично водородному работает генератор на атомах паров цезия. Молекулярные и атомные квантовые генераторы применяются для точного отсчета времени — в молекулярных и атомных часах. 12.7. КВАНТОВЫЕ П АРАМА ГНИТНЫЕ СВЧ-УСИЛИТЕЛИ Эти усилители применяются для усиления электромагнитных колебаний в диапазоне миллиметровых, сантиметровых н дециметровых волн.
Принцип работы состоит в том, что возбужденные ионы активной среды при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие отдают энергию электромагнитной волне и тем самым усиливают ее. В качестве активной среды используются паратагнитиые вещества. Обычно зто диамагнитные кристаллы с примесью парамагнитных ионов, например рубин с примесью ионов хрома. Напомним, что парамагннтными ,называют вещества, у которых атомы обладают магнитными свойствами. Парамагнитные ионы имеют ту особенность, что положение энергетических уровней в них зависит от воздействия внешнего магнитного поля. Чем сильнее это поле, тем выше разность энергий между уровнями, так как уровни «расходятся». Тогда при переходе электрона с верхнего уровня на нижний излучается квант с большей энергией, что соответствует более высокой частоте.
Квантовые парамагнитные усилители могут быть различных типов. В так называемых реэонаторных усилителях парамагнитный кристалл помещается внутри объемного резонатора, имеющего две резонансные частоты. От источника накачки, которым, например, может быть клистронный генератор (см. гл. 25), колебания поступают в резонатор и возбуждают парамагнитные ионы активной среды. Частота генератора накачки равна одной из резонансных частот объемного резонатора и бывает значительно выше частоты усиливаемых колебаний. В объемный резонатор поступает также усиливаемый сигнал, частота которого равна второй, менее высокой резонансной частоте.
Волна этого сигнала многократно отражается от стенок резонатора и многократно проходит через активную среду, за счет чего усиливается. Объемный резонатор с активной средой должен сильно охлаждаться (обычно с помощью жидкого гелия, дающего охлаждение до температуры, близкой к абсолютному нулю). Вся эта система расположена между полюсами сильного магнита или электромагнита. Усиленная волна выходит из резонатора через то же отверстие, через которое в резонатор поступает усиливаемый сигнал. Основной недостаток однорезонаторного квантового усилителя — сравнителъно узкая полоса частот, в пределах которой возможно усиление.
Более широкую полосу и большее усиление дают усилители с несколькими резонаторами, но они сложны в настройке. Значительно лучше квантовый пара- магнитный усилитель бегущей волны. В нем отсутствует резонатор, который придавал резонаторному усилителю узкополосные свойства. В усилителе бегущей волны вместо объемного резонатора имеется волновод, вдоль которого размещена активная среда. В волноводе распространяется волна усиливаемого сигнала и волна колебаний накачки. Усиление от активной среды тем больше, чем дольше взаимодействует с ней усиливаемая волна. Для более длительного взаимодействия применена замедляющая система, например в виде ряда штырей («гребенкав), которая уменьшает скорость волны в десятки раз (см. гл.
25). Соответственно увеличивается время прохождения волны через активную среду и возрастает усиление. Если бы не было замедляющей системы, то пришлось бы сделать усилитель очень большой длины, В современных квантовых усилителях бегущей волны достигается коэффициент усиления мощности, равный сотням и даже тысячам. Подобный усилитель, как и резона- торный, помещается в сильное магнитное поле и сильно охлаждается. Этот усилитель широкополосный. Полоса пропускаемых частот составляет десятки мегагерц, и можно перестраивать усилитель на разные частоты, изменяя напряженность внешнего магнитн(~го поля и частоту накачки.
Перестройка возможна в пределах сотен и даже тысяч мегагерц. Исключительно важное достоинство квантовых усилителей — малые собственные шумы, что, в частности, объясняется низкой температурой, при которой работают эти усилители. Поэтому они пригодны для приема очень слабых сигналов. Приемные устройства высокой чувствительности для радиолокации космических объектов и радиосвязи с ними, а также для радиоастрономии обычно имеют в качестве входного каскада квантовый усилитель. Его собственный шум может быть в десятки и сотни раз меньше, чем у других типов усилителей. Квантовые усилители маломощны, но это их свойство не имеет значения, так как они применяются для усиления очень слабых сигналов.
!86 13.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы„фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фопюпроеодимости. У металлов явление фотопроводимосги практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 10зз см ) и не может заметно увеличиться под действием излучения.
В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения. В следующих параграфах рассматриваются наиболее широко применяемые полупроводниковые приборы, работающие в качестве приемников или источников излучения, а также приборы, представляющие собой сочетание источников и приемников излучения и получившие название антропов.
Многие из описанных в этой главе приборов изготовляются не только в виде дискретных элементов для РЭА, но уже входят и в состав интегральных микросхем. 13.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ Фоторезиспюр представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под дей- ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКА станем излучения. Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 13.1, а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. !3.1,б. Полярность источника питания не играет роли. Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое больпюе сопротивление Гс„называемое темпоеым.
Оно является одним из параметров фоторезистораи составляет 10 — 10' Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темпоеым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменыпается. Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, имеющие нужные свойства. Так, например, сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасным, а сернистый кадмий — к видимым лучам. Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью, т.
е. интегральной чувствительностью ', отнесенной к 1 В приложенного напряжения: б„л = 1/(Ф(У), (13.1) где Ф вЂ” световой поток. Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен. Фоторезисторы имеют линейную еольт-амперпую и нелинейную энергетическую характеристику (рис. 13.2). К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и уделъной чувствительности следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения ' Интегральная чувствительность — отношение фототока к вызвавшему его потоку белого (немонохроматнческого) света.
1! 187 Рис. 13.1. Принцип устройства и схема вклю- чения фоторезистора Рис. 13,2. Вольт-амперная (а) и энергетиче- ская (о) характеристики фоторезистора сопротивления (может быть до 500), температурный коэффициент фототека ТКФ = Л1)(16Т). Значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная для полупроводников, является недостатком фоторезисторов. Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц кнлогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны.
Тем не менее фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах. 13.3. ФОТОДИОДЫ Фотодноды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Све- товой поток управляет обратным током фотоднодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фоглодиодпым (рис. 13.3).
Вольт-амперные характеристики 1 = 1'(()) при Ф = сопя) для фотодиодного режима (рис. 13.4) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток 1о, который называют темноаыхь А под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
