Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 146
Скачиваний: 0
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 7 |
||
|
Параметры ЛПД и приборов Ганна |
|
|
||||
|
|
|
Выходная мощность, |
|
|
||
|
|
Частота, |
|
Вт |
к. П. д ., |
|
|
Тип прибора, режим работы |
|
|
Материал. |
||||
ГГц |
в непре |
в импульс |
% |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
рывном |
ном режи |
|
|
|
|
|
|
режиме |
ме |
|
|
|
ЛПД, пролетный режим |
2-4 |
_ |
40 |
20 |
Si |
||
|
|
8,2—12,4 |
2,7 |
10 |
10-11 |
» |
|
|
|
100 |
0,16 |
— |
7 |
||
|
|
4—8 |
4 |
10 |
5-17 |
GaAs |
|
|
|
8,2—12,4 |
4 |
— |
5-17 |
» |
|
ЛПД, режим с захваченной |
1-2 |
10 |
500 |
60 |
Si |
||
плазмой |
|
12,4—18 |
— |
30 |
5 |
» |
|
Прибор |
Ганна, доменный |
1-2 |
, |
250 |
4—6 |
GaAs |
|
режим |
|
4-8 |
1 |
35 |
4—6 |
» |
|
|
|
40 |
0,075 |
— |
4—6 |
» |
|
Прибор Ганна, режим ОНОЗ |
1—2 |
|
6000 |
25 |
GaAs |
||
|
|
4-8 |
— |
2000 |
10—12 |
» |
|
|
|
12,4—18 |
— |
200 |
10 |
» |
|
Для |
создания хороших приборов Ганна требуется очень ч и с т ы й |
||||||
и однородный арсенид галлия. В настоящее время используется эпитаксиальная технология получения пленок арсенида галлия
Рис. 9.15
и омических контактов. Концентрация носителей заряда обычно ІО14—ІО16 см-3, а длина образцов от нескольких единиц до несколь ких сот микрон.
157
Схема генератора на приборе Ганна показана на рис. 9.15, Генераторы можно перестраивать механическим и электрическим способами в более широком диапазоне частот, чем генераторы на ЛПД (до нескольких октав). Скорость электрической перестройки частоты велика, например 1,8 ГГц/мкс, а время нарастания импуль сного сигнала менее 1 нс. При надлежащем конструировании гене раторы имеют малый уровень амплитудных и частотных шумов. Приборы Ганна работают в сантиметровом и в большей части мил лиметрового диапазона. Мощность в импульсе, особенно в режиме ОНОЗ, велика (до 6 кВт). Ограничение мощности связано с наличи ем больших температурных градиентов в приборах. В табл. 7 при ведены параметры приборов Ганна'.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ
ГЛАВА 10
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ
§ 10.1. Энергетические переходы
Спонтанные переходы. Спонтанные переходы — это самопроиз вольные переходы частицы из верхнего энергетического состояния в нижнее, с меньшим значением энергии. Спонтанные переходы сопровождаются электромагнитным излучением (испусканием кван тов энергии). Частота излучения определяется из постулата Бора, по которому квант энергии равен разности энергий уровней
hvik = ^i — ^k |
(k< i), |
(ЮЛ) |
где ё і, ëk — энергия верхнего (і) и |
нижнего |
(k) уровней; h — |
постоянная Планка. Частота |
|
|
ѵ* = ( * , - £ к)/А |
(10.2) |
|
называется частотой энергетического перехода.
Количество частиц в единице объема с одинаковой энергией, равной энергии данного уровня, называется населенностью этого
уровня. Пусть |
номер верхнего уровня |
і — 2, а нижнего |
k = 1 |
(рис. 10.1, а). |
Обозначим населенности |
этих уровней N 2 |
и N t . |
При спонтанных переходах происходит уменьшение населенности верхнего уровня и увеличение населенности нижнего уровня.
Уменьшение населенности уровня 2 в результате только спон танных переходов за время dt, очевидно, пропорционально населен
ности этого уровня N 2 и времени dt: |
|
dN2 = —A 21N 2dt, |
(10.3) |
где А 2і — вероятность спонтанного перехода в |
1 с. Решив уравне |
ние (10.3), получим экспоненциальный закон уменьшения населен ности верхнего уровня во времени
|
N 2 (/) = N 2 (О)ехр (—Ä 21t), |
(10.4) |
где |
N 2 (0) — исходное значение населенности в |
момент времени |
t = |
0. |
|
|
Насколько уменьшится населенность N 2, настолько же возра |
|
стет населенность Nlt так как общее число частиц в объеме |
остается |
неизменным. Из (10.4) следует, что через время t = 1ІА21 |
населен |
|
на |
ность N 2 уменьшится в е = 2,71 раза по сравнению с начальной величиной ІѴ2 (0). Величину
т2 = 1/Л21 |
(10.5) |
называют средним временем жизни частицы в возбужденном состоя нии 2. Очевидно, обратная ей величина Л 21 определяет среднее число спонтанных переходов в единице объема в 1 с, или среднее число частиц, совершивших самопроизвольный переход из верхнего состояния в нижнее. Необходимо отметить, что вероятность Л21
а г - |
|
в |
3 - |
|
|
|
|
||
|
|
|
2 - |
|
|
|
|
1- |
|
|
О сн овн ой у р о в е н ь |
|
|
|
|
г =_Л— |
|
|
|
|
S |
А;2+^31 |
|
|
г*=а21 |
т,=- |
f, = |
А21 |
|
|
*21 |
|
||
? .= о о
Рис. 10.1
отнесена к 1 с, т. е. имеет размерность и может быть любой по ве
личине |
в отличие от |
математической |
вероятности, |
меняющейся |
|
от 0 до 1. |
переходов п21(с) за |
1с с учетом |
(10.3) равно |
||
Число спонтанных |
|||||
|
|
И21(с) = ^21 |
|
(10.6) |
|
При каждом спонтанном переходе частицы выделяется квант |
|||||
энергии |
(10.1), поэтому за |
1 с с учетом (10.6) излучается энергия |
|||
|
Р 2 1 (c) — |
П 2 1 ( С ) ^ Ѵ 21 = ^21 N 2 H v 21- |
( Ю - 7 ) |
||
Стучайность спонтанных переходов означает, что различные частицы излучают неодновременно и независимо, т. е. фазы электро магнитных волн, излучаемых отдельными частицами, не согласова ны друг с другом. Поэтому спонтанное излучение вещества некоге рентно. Излучение всех обычных источников света есть результат спонтанных переходов.
В системе нескольких энергетических уровней возможны спон танные переходы с данного уровня на различнее нижние уровни (см. рис. 10.1, б, в). Полная вероятность Лг спонтанного перехода
160
с уровня <§і на все нижние уровни |
равна |
сумме вероятностей |
Aik отдельных спонтанных переходов |
|
|
Ai=='EAik (k< i), |
(10.8) |
|
k |
|
|
Aik— коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения. Уровни, для которых вероятность спонтанных переходов мала,
т. е. время жизни велико, называют метастабильными.
Время жизни на уровне і в многоуровневой системе определяет
ся аналогично |
(10.5) |
с учетом (10.8): |
1 /И = |
Аі ~ |
Aik = Аи “Ь Аі% ••• “ЬАііі-і)< ( k c i) . (10.9) |
Вынужденные переходы. Вынужденный переход происходит под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает, или близка к частоте перехода. При этом возможны пере ходы с верхнего уровня 2 на нижний / и с нижнего на верхний. В первом случае под действием внешнего электромагнитного поля
счастотой ѵ21 происходит вынужденное испускание кванта энергии йѵ21. Особенность вынужденного испускания состоит в том, что появившийся квант энергии полностью идентичен кванту энергии внешнего поля. Вынужденное излучение имеет такие же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию. Поэтому вы нужденное излучение увеличивает энергию электромагнитного поля
счастотой перехода ѵ2і- Это служит предпосылкой для создания квантовых усилителей и генераторов.
Следует отметить, что на вынужденный переход с излучением энергии не затрачивается энергия внешнего поля, которое является лишь своеобразным стимулятором процесса.
Впротивоположность этому для перевода частицы из нижнего
энергетического состояния 1 в верхнее 2 необходимо затратить энер гию внешнего поля, равную разности энергии верхнего и нижнего уровней: $2 — Шх = /іѵ21. Таким образом, при каждом вынуж денном переходе снизу вверх затрачивается квант энергии внешнего поля Лѵ21.
Вынужденные переходы, так же как и спонтанные, имеют ста тистический характер. Поэтому вводятся вероятностные коэффици енты: w2i(B) — вероятность вынужденного перехода сверху вниз и щ,і2(в) — снизу вверх в 1 с. Эти вероятности пропорциональны интенсивности (плотности энергии) внешнего поля «ѵ и определяются соотношениями
®2і(в) = ^21 Щ ' і ^12(В) = -®12 |
(10.10) |
где В21 и В12 — коэффициенты Эйнштейна для вынужденных пере ходов с излучением и поглощением энергии соответственно. Ко эффициенты Вп и ß 12 имеют смысл вероятностей вынужденных пе реходов в 1 с при единичной плотности энергии внешнего поля
(U\ — 1).
6 З а к . 498 |
161 |
|