Файл: 000810.pdf

Нервова система складається з клітин, що одержали назву нейронів. Нейрони, де б вони не знаходилися, мають однакову структуру і зразково однакові логічні характеристики. Вони є найбільш універсальним логічним елементом. На основі нейронів будуються прості і впорядковані нейронні сітки, вказуючі на той, поки що недосяжний в техніці факт, що за допомогою єдиного елементу можна побудувати систему, здатну виконувати складні завдання, які звичайно вирішує людина.

Для технічної реалізації ряду складних нейронних сіток в першому наближенні достатній нейроноподібний елемент, що має аналогічні властивості і за своїми функціональними можливостями наближається до біологічних рецепторних і деяких видів центральних нейронів. Основним заданням при створені такого нейроноподібного елементу є реалізація залежності амплітуди (amplitude) імпульсного вихідного сигналу від сумарного імпульсного «збудження» на вході. Дослідження показали, що модель нейрона може бути виконана у вигляді двох інтегральних мікросхем на МДН-транзисторах.

У наш час ведуться великі дослідження в різних напрямах біоелектроніки. Результати досліджень показують, що використовування явищ живої природи в електроніці може привести до нової науковотехнічної революції в цій області техніки.

Негатроніка (negatron). Цей напрямок електроніки пов'язаний з теорією і практикою створення і застосування негатронів – електронних приладів, що мають у визначеному режимі негативне значення основного диференціального параметра (негативних ємності, індуктивності та опору). Зараз розроблені різні види негатронів. Тільки напівпровідникових негатронів створено більше двох десятків різновидів. Серед них найпотужніші надвисокочастотні (НВЧ) прилади – лавинопролітні діоди, надшвидкодіючі ключі на лавинних транзисторах, найпотужніші струмові напівпровідникові перемикачі на диністорах і тиристорах.

Освоєння НВЧ-діапазону дало поштовх до пошуку нових фізичних ефектів і напівпровідникових приладів, що мають негативний опір. Зусилля насамперед були спрямовані на створення напівпровідникових негатронів, що мають негативний опір на надвисоких частотах у надвисокочастотному діапазоні. Початком пошуку шляхів створення таких НВЧ-приладів було покладено статтю Шоклі, опубліковану в 1954 році. Автор викладає ідею двохелектродного приладу з негативним опором, що виникає завдяки ефекту часу прольоту. Як перший приклад він розглядає "діод із затримкою неосновних носіїв". У запропонованій ним p+-n-p чи (n+-p-n)-структурі, неосновні носії, що інжектуються із p+- n-переходу, дрейфують до іншого p-n-переходу, затримуючись при цьому на час, рівний часу прольоту. Інший прилад, запропонований Шоклі, являє собою p-n-p структуру, що використовується в режимі прокола, щоб забезпечити

17

її уніполярність. Ці дві структури надзвичайно схожі на інжекційно-

пролітні діоди (Injections polity diode), що з'явилися пізніше, (ІПД).

Утій же статті Шоклі обговорює можливість створення двохелектродного приладу, що являє собою просто однорідний напівпровідник, у якому під дією сильного електричного поля можуть спостерігатися відхилення від закону Ома, що приводять до виникнення негативного диференціального опору. Відхилення від закону Ома (law ohm) виражається в зниженні швидкості носіїв зі збільшенням напруженості поля, тобто в появі ділянки негативної диференціальної рухливості. Однак практичної реалізації ця ідея не одержала через низку теоретичних недоробок. І тільки в 1963р. Ганом були отримані перші експериментальні дані про існування пролітних коливань, пов'язаних з цією властивістю у GaAs і ІnР. А прилади, що використовують цей ефект, одержали найменування "діоди Гана" чи "прилади на ефекті об'ємного негативного опору ".

Цікавий двохелектродний прилад з негативним опором, діючий на новому принципі – тунельний діод, був відкритий у 1957 р. японським фізиком Есакі. На прямій ділянці ВАХ дуже вузького германієвого p-n- переходу (тобто переходу, створеного на сильнолегованому матеріалі) була виявлена ділянка негативного опору скінченної величини. Така характеристика виходить в результаті польової емісії (тунелювання) електронів через вузький збіднений шар. Варто помітити, що тунельний діод не виправдав надій, оскільки від нього не вдалося одержати великої вихідної потужності.

У1958 р. Рід запропонував використовувати для генерації НВЧ потужності діод з багатоскладовою n+-p-p- - структурою. У цьому приладі використовується поєднання ефектів лавинного множення, заснованого на ударній іонізації, і часу прольоту електронів. Тому прилад був названий

ІMPATT-діод (Іmpact Avalanche and Transіt Tіme). Однак запропонована ним спеціальна конструкція діода виявилася занадто складною, її вдалося втілити в життя тільки в 1964р.

В СРСР ці прилади одержали назву "лавинопролітні діоди (ЛПД)" і були відкриті А.С. Тагером і його співробітниками в 1959 р. За кордоном перше повідомлення про практичну реалізацію ЛПД було опубліковано в

1965 році.

Подальшим розвитком ЛПД є ТРАПАТТ-діод (Тrаpped Plasma Avalanche-and-Transіt Tіme, що означає "лавинопролітний діод із захопленням плазми"). Для реалізації ТРАПАТТ-режима, відкритого в 1966р. необхідна дуже складна взаємодія між приладом і НВЧ-схемою. Наприклад ТРАПАТТ – підсилювач вимагає настроювання за гармоніками

ісубгармоніками, а також використання ЛПД-режиму для запуску. Незважаючи на складність самого приладу і відповідної схеми, ТРАПАТТдіоди відіграють провідну роль у фазованих антенних ґратках (ФАГ),

18

оскільки забезпечують можливість одержання високої імпульсної потужності на НВЧ (більше 100 Вт), більшого коефіцієнта заповнення (1 - 20%), високого ККД (більше 25%) і ширини смуги пропускання в підсилювачах не менше 15%. Однак цим приладам властиві і деякі недоліки:

-процесу ударної іонізації властиві значні шуми, тому підсилювачі і генератори на їхній основі будуть також мати великі шуми;

-процес ударної іонізації вимагає більшої потужності для одержання значних електричних полів.

В 1971 р. вперше була отримана генерація у НВЧ-діапазоні за допомогою інжекційно-пролітних діодів (ІПД), теоретичні основи роботи якого були обґрунтовані ще в 1954 році Шоклі. У ряді публікацій ці діоди одержали назву "БАРИТТ-діоди" (Barrіer Іnjectіon Transіt Tіme Dіodes).

Маючи, як і ЛПД, динамічний негативний опір у діапазоні НВЧ, у них не використовується режим лавинного множення носіїв і, отже, відсутні недоліки, властиві ЛПД.

Всі вищерозглянуті діоди з негативним опором призначені для роботи в діапазоні НВЧ і здатні працювати при відносно невеликих значеннях потужності сигналу і робочих струмах.

Загальним істотним недоліком усіх вищерозглянутих напівпровідникових негатронів є залежність їхнього негативного опору від фізичних властивостей напівпровідникових кристалів і фізичних процесів

уних. А прагнення реалізувати 100% внутрішній позитивний зворотний зв'язок всередині кристала накладає тверді вимоги до технології виготовлення таких негатронів, створює труднощі у виробництві ідентичних приладів і подальшому їхньому застосуванні. Ці недоліки при створенні транзисторних негатронів були частково усунені шляхом реалізації комбінованого 100% позитивного зворотного зв'язку: частково внутрішнього, за рахунок тимчасової затримки неосновних носіїв у базі транзистора; частково, за рахунок введення ланцюга зовнішнього зворотного зв'язку. Початком цього напрямку, очевидно, варто вважати 1956 р., коли Ямагучі (J. Jamaguchі) досліджував негатрон на транзисторі з загальним колектором і індуктивним ланцюгом зворотного зв'язку між базою і колектором. В подальшому були досліджені різні модифікації такого негатрона, що одержав назву "індуктивний транзистор", тому що він виявився перспективним як напівпровідниковий аналог індуктивності. Слід зазначити успішне застосування цього негатрона в різних аналогових НВЧ-пристроях (активних фільтрах (active filter), генераторах,

перетворювачах частоти (frequency converter), мультиплексорах,

активних антенах та ін.).

Іншим напрямком негатроніки, спрямованим на подолання недоліків однокристальних напівпровідникових негатронів, є створення аналогів негатронів на базі різних схемотехнічних комбінацій активних приладів. Їх

19

можна поділити на три групи. У першій групі об’єднуються транзисторні аналоги, що складаються з транзисторів однієї структури. Другу групу складають аналоги, виконані на транзисторах різної структури, але не складовий еквівалент p-n-p-n-структури. Третя група складається з транзисторних еквівалентів p-n-p-n-структури. Використання в таких схемах перехресних зв'язків обмежує їхнє застосування частотами до 1 ГГц.

Зокрема, з бурхливим розвитком твердотільної НВЧ-електроніки особливо гостро постало завдання мініатюризації частотовибіркових кіл. Розв’язання завдання шляхом використання об'ємних резонаторів, відрізків лінії передачі, сегнетоелектричних і феритових резонаторів неможливе, тому що їхня добротність зменшується зі зменшенням розмірів. Коливальні контури на базі негатронів таких недоліків не мають, що дозволяє розв’язувати задачу з реалізації в одному кристалі декількох десятків високодобротних коливальних контурів (фільтрів, LC-генераторів і т.д). Крім R-негатронів ведуться дослідження зі створення і застосування C- і L-негатронів. Це прилади або їхні схемотехнічні аналоги, що мають за

негатронів у наш час не одержало широкого поширення і вимагає подальших досліджень і пошуку напрямків їхнього ефективного використання.

20

2 СТРУКТУРА І ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХТІЛ

2.1 Кристалізація і склування

При достатньому зближенні частинок між ними виникають сили взаємодії ( forces interworking). Незалежно від природи цих сил, загальний характер їх залишається однаковим (рис. 2.1,а): на відносно великих відстанях виникають сили тяжіння ( forces interworking) Fпр, що збільшуються із зменшенням відстані між частинками r (крива 1); на невеликих відстанях виникають сили відштовхування Fвід, які із зменшенням r збільшуються значно швидше, ніж Fпр (крива 2). Так, для іонних кристалів Fпр ~1/ r2, а Fвід ~1/ r 9.

На відстані r=r 0 сили відштовхування врівноважують сили тяжіння і

результуюча сила F звертається в нуль (крива 3). Оскільки F=U/r, де U – енергія взаємодії частинок, то при r=r0 величина U досягає мінімального значення, рівного – Uсв (рис. 2.1, б). Тому стан частинок, що зближують на відстань r0, є станом стійкої рівноваги, внаслідок чого під впливом сил взаємодії частинки повинні б розташовуватися в строгому порядку на відстані r0 один від одного, утворюючи тіло з правильною внутрішньою структурою.

Проте крім потенційної енергії (potential energy) взаємодії частинки мають кінетичну енергію (kinetic energy) теплового руху, намагаючись зруйнувати порядок в їх розташуванні. Стан і властивості речовини визначаються відносною роллю цих двох чинників. В газоподібному стані відстані між частинками такі великі, що сили взаємодії між ними практично не виявляються. Тому в проміжках між зіткненнями, що носять випадковий характер, частинки поводяться фактично як вільні, створюючи хаотичний поступальний рух. Фіксованих положень рівноваги вони не мають.

У рідинах, густина яких приблизно на три порядки вища густини їх насиченої пари, відстані між молекулами r зменшуються, а сили взаємодії збільшуються настільки, що молекули не можуть вільно переміщатися в просторі: кожна молекула виявляється мовби укладеною в комірку, створену сусідніми молекулами, в якій вона створює безладні коливання біля тимчасових положень рівноваги (рис. 2.2, а). Позначимо період цих коливань τ0, а висоту потенційного бар'єра, який створює для даної молекули її оточення, U. Вірогідність того, що ця молекула набуває енергії теплового руху, достатньої для подолання потенційного бар'єра і переходу в нове положення рівноваги, рівна ехр (- U / KT ), де К – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура. За одиницю часу молекула, що коливається, «підходить» до бар'єра V0 = 1/τ0 раз. Помножуючи це число на вірогідність ехр(- U / KT ), одержуємо середнє число переходів молекули з одних

21