Техника - молодёжи 1967-07, страница 6
падут самые быстрые — «горячие»- электроны, которым иадо совсем мало, чтобы перепрыгнуть щель. Вот почему появляется отрицательное сопротивление, вот почему ему нужно определенное электрическое поле! И НАКОНЕЦ, ОТКУДА СВЧ? т щ и [у, хорошо. В кристалле появилось отрицательное сопротивление. Как говорится, на здоровье. Надо теперь 'показать, почему же возникают колебания. Еще раньше теоретики предсказали, что в области отрицательного сопротивления электрическое поле кристалла неоднородно. Оно как бы сгущается в небольшой домен. Домен собирает почти все поле. В остальной части кристалла оно мало. Теперь представьте себе, что в какой-то точке кристалла немного возросла плотность электронов. Скажем, слева от возмущения электрическое воле ослабеет, а справа воврастет. Прн положительном сопротивлении избыточный эаряд рассосется — в этом случае в об-ласгъ будет втекать меньше электронов, чем вытекать нз нее (ток растет с увеличением поля)! А если сопротивление отрицательно? Все пойдет наоборот. Втекающий ток увеличится, и эовмущенне плотности варяда будет нарастать! Вот н получилась неустойчивость. Естественно, что такой домен не сможет стоять иа месте, а помчится по кристаллу. Теперь ясны закономерности, наблюдавшиеся Ганном, — период колебаний определяется временем пробега электрона между электродами. Многие говорят, что современная фнзнка полна мистики. Элементарные чабтицы, которые нельзя увидеть, — где они? А вот домен в аффекте' Ганна как рав можно увидеть. Виртуозная техника однозвачно ответила на вопрос — домен существует. Он рождается у катода, движется к аноду и там исчезает. Тем временем у катода рождается новый домен и так далее. И сраву стало ясно, почему толстый кристалл генерировал лишь шумы — второй домен рождается раньше, чем первый успевает исчевнуть у анода. Очень интересна аналогия этого процесса с»ударнымн волнами. Можно сказать так; лишь только электрическое поле Достигает критического значения, электроны «перепрыгивают» в верхнюю вону и «отдыхают». Проводимость падает, и поле в этой области еще более возрастает. Лавина электронов устремляется в «зону отдыха». Этот процесс происходит очень быстро (как во фронте ударной волны!). И вот своеобразная «ударная волна» мчится па' кристаллу, причем на ее «фронте» происходит переход «горячих» электронов в состояние с еще большей энергией. Последних скептиков, которые сомневались в зонном объяснении отрицательного сопротивления, убедил еще одни эффектный опыт. Иввестно, что сжатие' кристалла приводит к сближению зон. На крошку кристалл навалилось 30 тыс. атмосфер! И что же? Пороговое электрическое поле уменьшилось. А это и требовалось доказать: тут уже ответ был однозначным — генерация колебаний свявана с электронной структурой полупроводника. Дальнейшие опыты со сплавом арсенида галлия н фосфида галлия, в котором взаимное положение вон также изменилось, блестяще подтвердили этот факт. Вот и закончилось небольшое путешествие по теории, которая сумела объяснить удивительно много, но при этом ны-двннула новые вадачн перед исследователями. Сейчас уже основные эксперименты позади. И хотя ученые еще работают над более глубоким пониманием происходящих явлений (ведь в этом ключ к технической реаливации всех вовможностей, таящихся в открытии!), кристалл уже попал в руки инженеров. Их интересуют другие вопросы: можно ли создать генераторы, работающие в непрерывном режиме; чем определяется мощность колебаний; какой эффективности можно ожидать от генераторов; какие мощности можно получать, соединяя в одном устройстве несколько таблеток арсенида галлия? Множество технических вопросов потребовало участия большого числа ученых н инженеров. И постепенно из лабораторного макета возник прибор. Его первые шаги настолько уверенны, что он стал весьма опасным конкурентом существующим вакуумным генераторам, которые выглядят гигантами по сравнению с новым прибором. А ведь еще недавно они были предметом восхищения. Где же может найти применение новый прибор? Не надо обладать большой фаитавнен, чтобы уже сейчас представить те области, где он окажется полезным, а иногда к незаменимым. Именно там сейчас трудятся маломощные вакуумные клистроны. Что может быть заманчивее, чем заменить их простым, надежным, необыкновенно легким и дешевым прибором? Легко вообразить небольшие быстроходные суда, самолеты, снабженные портативными радиолокаторами, или автоматическую станцию, ощупывающую радиолучом поверхность другой планеты. В недалеком будущем, несомненно, появится «карманная» измерительная аппаратура, необходимая для наладки сложных СВЧ-устронств, н легкие переносные приборы, например, для определения влажности зерна (ведь известно, что волны СВЧ-диапаэона хорошо поглощаются во влажных средах и поэтому могут служить своеобразным зондом). Да мало ли где еще в мирной жизни сумеет продемонстрировать свои достоинства портативный генератор! / 1Л Ч —электромагнитные колебания частотой ХО9-— 10й гц н выше. Генераторы СВЧ работают в радиолокации. нспользуюг'ся для космической связи, а также в таких «земных» приложениях, как телевидение и дальняя телефонная связь. СВЧ-колебания очень удобны, нбо для них неизмеримо возрастает количество информации, передаваемой по одному наналу связи. Естественно, чгчз развитие обширной области электроники непосредственно связано е прибора ми, генерирующими СВЧ-колебания. Сейчас существует несколько типов подобных приборов — магнетроны, клистроны и др. Это. по существу, электронные лампы, в которых элэктронный пучок, испускаемый катодом, взаимодействует с электромагнитными полями, передавая им свою енергию. Пока что СВЧ генераторы очень дороги и весьма громоздки, так как требуют больших источников питания. Кроме того, в этих приборах приходится создавать высокий вакуум в следить аа тем, чтобы вакуум не ухудшился. Вот почему ученые ищут новые методы генерации СВЧ-колебаний. ТАБЛИЦА СРАВНИТЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ
Кроме того, вес генератора Ганна имеете с источником питания в десятки раз меньше веса клистрона (самый малогабаритный из существующих генераторов СВЧ). Кроме того, вес генератора Ганна имеете с источником питания в десятки раз меньше веса клистрона (самый малогабаритный из существующих генераторов СВЧ). Эффект Ганна — новое интересное явление в технике сверхвысоких частот. В миниатюрном кристалле полупроводника — арсенида гаялия при больших электрических полях появляется область отрицательного сопротивления. Происходит это потому, что часть электронов проводимости переходит в тан называемую зону малой подвижности. Там они иак бы тяжелеют н почти не принимают участия в передаче элентр чесмого тока. Таким образом, напряжение увеличивается, н ток падает — образуется участон отрицательного сопротивления (домен). Домен срывается с места м путешествует по кристаллу. Когда он исчезает, вместо него у катода уже вырастает следующий. Так в маленьком кристалле возникают высокочастотные колебания, и он становится генератором СВЧ. 4 |
