ГЕНЕРАТОР

Ю. МАКАРОВ, канд. физ.-мат. наук, А. МОРОЗОВ, канд. фиэ.-мат. наук

• КОГДА НЕ ВЫПОЛНЯЕТСЯ ЗАКОН ОМА # ДОМЕН МЧИТСЯ ПО КРИСТАЛЛУ ф НОВЫЙ ГЕНЕРАТОР СВЧ — МОГУЧИЙ КОНКУРЕНТ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРИБОРОВ

ОШЕЛОМЛЯЮЩИЙ ЭФФЕКТ

Наша тема — интереснейшее открытке в физике твердого тела. Мы уже привыкли к тому, что вта область по своей «урожайности» ничуть не хуже, скажем, физики частиц высоких анергий. Правда, может показаться, что замечательный эффект возникновения колебаний в крошечном полупроводниковом кристалле арсенида галлия интересен только с теоретической точки зрения. Однако это поразительное явление сулит чрезвычайно заманчивые перспективы в электронике сверхвысоких частот.

Чем глубже проникают ученые в странный внутренний мнр твердого тела, тем больше тонких и удивительных явлений открывается их взорам. Таков эффект, открытый американским инженером Ганном, который изучал поведение «горячих электронов» в полупроводниках. В любом металле влектрический ток создается электронами, движущимися под действием приложенного к нему электрического поля. И всегда добавочвая внергия, которую влектроны получают от поля, намного меньше их тепловой энергии. Зависимость тока от напряжения описывается известным законом Ома. В некоторых полупро-воднвках электрическое поле может настолько ускорить влектроны, что их добавочная внергия сравнится с тепловой. Тогда закон Ом^ нарушится. Ток будет расти медленнее, а виновники втого — быстрые Влектроны — получают название «горячих».

Производя опыты, Ганн измерял ток, постепенно увеличивая приложенное к кристаллу напряжение. Это совсем не просто: напряжение можно прикладывать к кристаллу только короткими импульсами. Ииаче он так перегреется, что просто ввор-вется! Все шло хорошо и прекрасно объяснялось. Пройдена область закона Ома, появились «горячие» влектроиы, ток замедлил свой рост. И вдруг при каком-то напряжении ток начал меняться хаотическим обравом! Мало того, что амплитуда колебаний достигала нескольких ампер, — их частота была 10⁹ гц1 То есть появилось излучение сверхвысоких частот, которре за последнее время проникло буквально во все области техники. Убедившись, что ои не стал жертвой случайности цли ошибки, ученый начал поиски закономерностей. В тонких кристаллах колебания былн когерентными, то есть вовбуждались со строго определенной частотой, которая росла с уменьшением толщины обравца. Период же колебаний примерно совпадал с временем пробега электрона между электродами — очень важный вффект. Столь же важно и то, что колебания эовникали при определенной критической величине электрического поля, а не тока или напряжения. Температура довольно слабо влияла на частоту и пороговое напряжение, а магнитное поле не сказывалось совсем. Отметим также, что состояние поверхности и контакты ие влияли на вагадочиый эффект.

Все эти пестрые факты, добытые напряженным трудом, теперь нужнр было объяснить и постараться уложить в стройную схему. Может быть, колебания связаны с пинч-эффектом, над которым много потрудились ученые, изучающие плазму? Достаточно сильный ток сживается в шнур, который быстро разваливается и может при этом излучать радиоволны. Однако это случаемся лишь при определенных значениях тока, чего на опыте це наблюдается. Не помогли и ввуковые волны — колебания рлишком быстро возникают при включении напряжения. Не справились с объяснением и некоторые другие остроумные гипотезы. В поисках ответа ученые исследовали ряд полупроводниковых материалов — кремний, германий и

др. СВЧ-колебания возникали только в фосфиде индия, влект-онна структура которого очень близка к арсеииду галлия. Значит, эффект прямым образом связан с электронной структурой полупроводника. Вот на этом пути и прншло, наконец, объяснение.

ЗОНА ОТДЫХА

Т>ернемся немного назад. Мы уже говорили, что обычно ■"проводник электрического тока обладает положительным электрическим сопротивлением. Но иногда возникает несколько другая картина — с увеличением напряжения ток сначала растет лкнейно, а затем уменьшается, хотя напряжение все время увеличивается. То есть сопротивление изменяется, как бы становится отрицательным. Если усилить электрическое поле, ток сноэа возрастет. Эксперимент показал, что сопротивление таиистиениого арсеиида галлия при определенных условиях как раз н становится отрицательным.

А область отрицательного сопротивления неустойчива. Неустойчивым будет и ток. Выходит, могут появиться и колебания,

Все вто хорошо, ио механизм появления СВЧ-колебаннй в кристалле арсенида галлия по-прежнему непонятен. Откуда они, в самом деле, берутся? Почему вдруг падает ток? Ведь все происходит так, как будто часть электронов в кристалле иа время исчеза т. выходит иа игры. Вот тогда ток действительно может уменьшиться. Куда же пропадают электроны? Сейчас можно ответить на этот вопрос совершенно Точно. Электроны переходят в зону малой подвижности — своего рода электронный дом отдыха.

Квантовая механика, объяснившая законы микромира> установила, что электроны в атомах обладают точно определенными значениями анергии, занимают определенные внер-гетические уровни. Им запрещено иметь энергию, значения которой лежали бы между уровнями. Нижние уроэнн в атоме ваполнены влектронами, верхние свободны. Если одному иэ «нижних» электронов сообщить энергию, например, с помощью световой волны, то он поднимется иа каной-либо верхний уровень. Электрон, как правило, ие может там долго оставаться и возвращается обратно, испуская квант электромагнитного ивлучения. Характерно, что уровни энергии в атоме очень узкие. Но вот атомы начали сближаться и обраво-вали кристаллическую решетку твердого тела. Что произойдет с их уровнями? Вследствие нзанмодействия каждого атома со множеством других энергетические уровни расширяются. Возникает внергетическая полоса или зона (фактически каждая зона состоит из огромного числа очень близко располо-женных уровней). Эти зоны отделены друг от друга полосами запрещенных энергий (энергетическими щелями).

В арсенцде галлия (как и в некоторых других полупроводниках) существуют незаполненные энергетические воны. Попавшие туда влектроны теряют подвижность (становятся как бы тяжелее) и плохо поддаются влиянию электрического поля. Электрон этой зоны, принимавший до того живое участие в переносе тока, «выбывает ив игры». Чтобы ток _В1И.т«/н заметно упал, подобных электронов lf||IIU|| должно быть много. Критическое по- IIUIlllll ле, найденное Ганиом, сообщает электронам как раз такую энергию, которой достаточно для преодоления энергетической щели. Ясно, что в первую очередь в «зону отдыха» по

шщю

*3