А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 25
Текст из файла (страница 25)
1 2к!з 2я1„, (4. 37) Из (4.37) следует, что ограничения на частоту (быстродействие), определяемые перезарядом емкости С„однозначно связаны с временем пролета носителей через канал. В проводящих каналах ПТ. изготовленных на основе тройных соединений элементов! П и Ъ' групп таблицы Менлелеева (А1ОаАз, !пОаАз'и лр.), скорость насыщения электронов приближается к 3 10'см/с, Лостигнугый уровень технологии позволяет соззавать следует, например, из (4.30) или (4.34) и является следствием предположения о постоянстве длины канала! при изменении напряжения на стоке. В действительности, когда напряжение на стоке достигает насыщения !Г„„, ширина слоя обеднения у стока 4 = 1 — !' не остается постоянной, а зависит от приложенного к нему напряжения !1 — 1Г„„(рис. 4.35).
С учетом этого эффекта ток стока зависит от напряжения на стоке и дифференциальное выходное сопротивление ПТ В, оказывается порядка 1О'+ 10'Ом. Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы каналыдлиной1-1О 'см (0,1мкм), В этом случае(„, 3.10 "си (КУ) 500ГГц, что соответствует миллиметровому диапазону длин волн (100 ГГц — Л = 3 мм). Рассмотренные выше нелинейные элементы на твердом теле охватывают лишь незначительную, но наиболее распространенную часть полупроводниковых приборов, используемых в современной физике и технике. К этой группе относятся также СВЧ генераторы на лавиннопролетных диодах (ЛПД) и диодах Ганна (ДГ), рассмотренные в гл.
1Х. Аналогами газоразрядных приборов в твердотельной электронике являются четырехслойные р — и — р — а-структуры, получившие название тиристоров и имеющие ВАХ В-типа (рис. 4.1, в). 4.8. Тенденции в развитии электроники твердого тела Развитие радиоэлектроники сопровождается как созданием новых нелинейных активных элементов, так и совершенствованием параметров уже существующих приборов.
В этом отношении весьма перспективным является использование гетеропереходов. Анизотипный р — п-гетеропереход, в отличие от гомоперехода, обладает очень высоким уровнем инжекции (суперинжекция). Зто качество позволило снизить пороговый ток инжекционных (полупроводниковых) ИК лазеров, работающих в диапазоне длин волн от 0,6 до 18 мкм, и обеспечить непрерывную генерацию при Т 300 К. Свойство суперинжекции гетероперехода используется также при создании высокоэффективных эмитгеров в биполярных дрейфовых транзисторах.
Специфические особенности энергетической диаграммы гетероперехода позволили существенно усовершенствовать конструкцию полевого транзистора, придав ему новые физические свойства. Проводящий канал в таком ПТ является границей раздела изотипного н' — а-гетероперехода, в котором электроны образуют двумерный (22)-газ) электронный газ с высокой подвижностью ((з 10'см'/В с). Такие ПТ обладают очень высоким быстродействием 1О и с, Гетеропереходы успешно используются при повышении КПД солнечных батарей. Для уменьшения потерь световой поток от внешнего источника с энергией кванта, равной ширине запрещенной зоны узкозонного полупроводника, направляется в плоскость р — а-гетероперехода со стороны широкозонного полупроводника, где коэффициент поглощения для падающего светового потока мал.
Освоение диапазона частот > 10'-Гц (субмиллиметровый диапазон Л < 300 мкм) связано с уменьшением линейных размеров активных областей приборов до значений - 10 ' —: 10 'см. В этих условиях определяющую роль начинают играть чисто квантовые эффекты, существенно изменяющие наши представления, справедливые для приборов с макроскопическигли размерами () 10 'см). В классической физике этим явлениям нет аналогов. Оказывается, что электроны в твердом теле за счет взаимодействия с колебаниями атомов решетки приобретают "отрицательную массу" (т. е. движутся против силы) у верха энергетической зоны, по которой осуществляется проводимость кристалла.
Другими словами, полупроводник в этих условиях становится активным элементом. Создание приборов с "отрицательной массой" получило развитие в конце 60-х годов, когда удалось создать субмикронные слои полупроводников, преодолеваемые электронами без рассеяния энергии за счет бесстолкновительного (баллистического) пролета за время порядка 1О 'с. Накопленная прн этом энергия отдастся затем тормозящему электрическому полю. Таким образом. создается аналог прибора с 'отрицательной массой", получивший название прибора со "сверхрешеткой".
Зти приборы используются в качестве генераторов малой мощности (< 1О ' Вт) в субмиллиметровом диапазоне волн. Кроме отмечеинон выше особенности. взаимодействие с решеткой приводит к слабочу прытяжеыию чсжлу электропечи. В результате при гелиевых температурах (< 4 К). когда энергия теплового лвижеиия мала. электроны спариваются и образуют так иазы- 91 4.В. Тенденции в аэвитии электроники тве дого тела ваемые "куперовские пары*', с помощью которых объясняется явление сверхпроводимости.
В 60-е годы исследования по разработке нелинейных элементов на основе явления сверхпроводимости получили широкую известность. Работа при гелиевых температурах обеспечивает этим приборам уникальные характеристики: очень низкий уровень энерговыделения и собственных шумов.
Последнее обстоятельство имеет дяя радиоэлектроники важное значение, поскольку обработка сигналов малой мощности занимает в ней все большее место. Наиболее значительные успехи в области сверхпроводниковой электроники начались после открытия в 1962 г. эффекта Джозефсона. При приложении к контакту, образованному двумя сверхпроводннками, разделенными тонким слоем диэлектрика ( 10 'см), постоянного напряжения У ( 1О 'В он начинает генерировать электромагнитные колебания с частотой, пропорциональной У.
Например, напряжение 1 мкВ сответствует частоте 483, 6 МГц. На основе джозефсоновских контактов созданы сверхчувствительные магнетометры, уникальные гальванометры для измерения сигналов от низкоомных источников, чувствительные приемники сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Создана элементная база для вычислительных устройств — ячейки логики и памяти, обладающие временами переключения порядка 10 "с. К недостаткам приборов на эффекте Джозефсона следует отнести низкое значение выходной амплитуды порядка 10 ' †: 1О 'В и необходимость охлаждения до гелиевых температур. В середине 80-х годов получили развитие исследования в области "высокотемпературной" сверхпроводимости, обнаруженной в комплексных (поликристаллических) материалах.
Критические температуры, при которых возникает "высокотемпературная" сверхпроводимость, достигают примерно 100 К. 4 за», нм Преобразование сигналов в нелинейных системах и системах с переменными параметрами 5.1. Линейные и нелинейные системы Как было отмечено выше, свойства линейных и нелинейных систем существенно различаются. Поясним это различие, сравнивая, например, свойства нелинейного и линейного резисторов. Напряжение и на линейном резисторе н ток л через него связаны линейным соотношением — законом Ома и (= —.
(5.1) В Здесь Я вЂ” сопротивление резистора — постоянная величина, не зависящая ни от величины разности потенпиалов и, ни от силы тока (. Вообще говоря, сопротивление лл может зависеть от времени, но в данном случае будем считать, что оно постоянно. Предположим, что на резистор одновременно действуют два гармонических напряжения и, и и„причем (5.2) (5.3) и, = У, сов ы11, и, = У,совы,(.
Ток ( через резистор найдем с помощью (5.1), полагая (5.4) и = и, + и,. В результате лля тока ( получим (5.5) л — лс + лн где и, (г, л! = совы~(, лл = — совюлг. (5.б) л '' ' В Из выражений (5.5), (5.6) следует, что при одновременном действии на линейный резистор двух напряжений и, и и, с частотами ы, и и, спектр тока содержит тоже две составляющие л, и (л с теми же частотами ы, и ыл.
При этом амплитуда тока л, с частотой ы, опрелеляется только величиной напряжения и,, имеющего ту же частоту ы,, и не зависит от величины напряжения и,. Точно так же амплитуда тока л; с частотой ыл определяется только величиной напряжения и, с частотой ы, и не зависит от и,.
Эти замечания подтверждают справедливость прпнпнпа суперпозипип лля линейных схем. Предположим теперь, что то же самое напряжение (5.4) действует на нелинейный резистор, ток ( через который связан с приложенным к нему напряжением нелинейным соотношением ( = ~(иь 5.2. Нелинейные системы и системы с переменными па аме ами 99 Представим функцию ( = ~(и) рядом Тейлора 2 (=а,и+а,и + (5.7) Если точность, с которой выражение (5.7) должно аппроксимировать функцию ( = 7(и), конечна, то ряд (5.7) можно оборвать.
При этом число членов, которое необходимо оставить в выражении (5.7) для достижения заданной точности аппроксимации, зависит от величины напряжения и. Чем меньше и, тем меньшее число членов ряда (5.7) требуется для достижения заданной точности. Будем для простоты считать напряжение и настолько малым, что в выражении (5.7) достаточно удерживать лишь два первых члена.
Подставляя в (5.7) величину (5.4), с учетом (5.2) и (5.3) лля тока г получим (5.8) (=( +(„+т, +(„„, где з, = эз(у', + у',) — постоянная составляющая тока, ( = а,у, совы,Г+ а,Г,совы,1 — составляющие тока с частотами действующих на резистор напряжений, ,и' !У1 — — — '-; "- сов 2ы,1 + — '- сов 2ы,( — составляющие тока с частотами вторых гармоник напряжений и, и и„ ( „= а2У,У, соз(и, + ы)Г+ а2У,У, сов(ы, — ш)Ф вЂ” составляющие тока с комбинационными частотами и, ~ и,.
Из выражения (5.8) следует, что в спектре тока, текущего через нелинейный резистор под действием двух гармонических напряжений, присутствуют не только составляющие с частотами этих напряжений, но и постоянная составляющая, токи с частотами вторых гармоник приложенных напряжений, а также составляющие тока с комбинационными частотами, причем величина постоянной составляющей тока и амплитуды составляющих с комбинационными частотами зависят от амплитуд обоих напряжений и, и им Отсюда следует, что, в отличие от линейных элементов, нелинейные элементы не подчиняются принципу суперпозиции и могут генерировать спектральные составляющие с такими частотами, которые отсутствуют в спектре приложенного воздействия. Благодаря этой особенности нелинейные системы находят широкое применение при осуществлении таких преобразований сигналов, которые сопровождаются изменением их спектра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
