Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

гию и переходят в вышерасположенную подзону с малой под­ вижностью частиц. При большой напряженности поля боль­ шинство электронов окажется в верхней подзоне. Плотность тока пропорциональна скорости движения электронов, а на­

ленную на рис. 32, можно заменить аналогичной кривой / = = /({/) (см. рис. 35, а), т. е. вольт-амперной характеристикой.

Вид такой вольт-амперной характеристики похож на вид вольт-амперной характеристики туннельного диода. Падаю­ щий участок вольт-амперной характеристики свидетельствует о наличии отрицательного сопротивления. Однако такую вольт-амперную характеристику снять не удается, так как при наличии падающего участка на вольт-амперной характе­ ристике однородного полупроводника однородное распределе­ ние поля неустойчиво.

Предположим, что к образцу из арсенида галия прило­ жено поле, соответствующее максимуму кривой Е\ (рис. 32), и в какой-то области образца поле оказалось неоднородным. Такая неоднородность создается часто искусственно за счет изменения уровня легирования. На рис. 33 показано однород­ ное распределение электрического поля вдоль образца и перепад поля на расстоянии 40 мкм от «катода» (отрицатель­ ного по знаку приложенного потенциала омического контак­ та). Перепад поля (длиной около 1 мкм) называют иногда «зарубкой». В области «зарубки» ближе к «аноду» (положи­ тельно заряженному омическому контакту) поле больше по величине, чем для участков, расположенных ближе к «ка­ тоду». Средняя дрейфовая скорость электронов в области, расположенной ближе к «аноду», несколько упадет. К этим замедлившимся электронам начнут подходить электроны, находящиеся ближе к «катоду». Таким образом, образуются и начнут расти области отрицательного и положительного зарядов и одновременно будет расти и электрическое поле в области флюктуации аналогично тому, как растет пропор­ ционально увеличению плотности заряда на пластинах поле внутри плоского конденсатора. С ростом поля электроны в области флюктуации еще более замедляются, процесс обра­ зования слоев заряда усиливается и т. д. Динамика образо­ вания такого домена сильного поля была смоделирована на ЭВМ. Результаты расчетов для образца длиной 0,02 см при­ ведены на рис. 33, где показано, как напряженность поля изменяется в процессе формирования домена.

Если напряжение на образце поддерживается постоянным, то поле (а следовательно, и дрейфовая скорость электронов

68

вне домена) будет падать. Равновесие наступит тогда, когда скорость движения образовавшегося домена окажется равной дрейфовой скорости электронов вне его. Установившееся при этом распределение зарядов и электрического поля показано на рис. 34, где га — полная концентрация электронов; пх— концентрация легких электронов и « 2 — концентрация тяже­ лых электронов.

Расстояние, мкм

Рис. 33

69

В целом рассмотренные процессы, которые можно харак­ теризовать вольт-амперной характеристикой с падающим участком (рис. 35, а) и которые приводят к образованию до­ мена сильного поля с неоднородным распределением зарядов вдоль образца (рис. 35,6), обеспечивают дрейф домена от «катода» к «аноду» (рис. 35, в) и появление по внешней цепи импульсов тока с частотой, которая определяется длиной об­ разца и дрейфовой скоростью домена.

п

Рис. 34

Одновременно несколько доменов не формируются, так как, пока один домен дрейфует от «катода» к «аноду», поле вне его значительно меньше, чем нужно для начала формиро­ вания домена. В этом режиме генерируются колебания толь­ ко одной определенной частоты:

Изменение частоты генерации можно получить в режимах, когда диоды Ганна помещены в высокодобротные колеба­ тельные системы и амплитуда СВЧ напряжения на приборе сравнима с постоянным напряжением. Часть периода резуль­ тирующее напряжение оказывается меньше порогового, при котором возможно образование домена, поэтому домен раз­ рушается, не доходя до конца образца (подавление или гаше­ ние домена). Понижение напряжения ниже порогового одно­ временно затрудняет формирование нового домена. Возмо­ жен режим, когда домен не подавляется и проходит через весь образец, а появление нового домена задерживается на время, равное части периода, когда напряжение ниже пороговой величины (режим задержки доменов). В обоих режимах вре­ мя формирования доменов должно быть меньше периода СВЧ

70

колебаний. Но в свою очередь период СВЧ колебаний в ре­ жиме с подавлением доменов меньше времени пролета от «катода» до «анода», а в режиме с задержкой доменов —

больше его.

Если к диоду приложено постоянное напряжение, создаю­ щее напряженность поля, большую порогового значения, и

вкоторую включен диод.

Диоды Ганна позволяют получать киловатты полезной вы­

ходной мощности в импульсном режиме на частотах санти­ метрового диапазона при КПД, равном 104-20 процентам.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Область электронной техники, получившая название кван­ товой электроники, включает вопросы генерирования, усиле­ ния и преобразования когерентных электромагнитных колеба­ ний с помощью квантовых систем.

В основе работы всех квантовых приборов лежит явление вынужденного (стимулированного, индуцированного) излуче­ ния. Оно состоит в том, что возбужденная микрочастица (атом, ион, молекула) под действием кванта внешнего электромагнитного поля — фотона может перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив фотон, по всем ха­ рактеристикам тождественный первичному. Благодаря этому в среде, где имеется избыточное количество возбужденных ча­ стиц, фотоны будут размножаться, т. е. электромагнитное поле будет усиливаться за счет вынужденного излучения, воз­ никающего при квантовых переходах.

Впервые на существование явления вынужденного излу­ чения было указано А. Эйнштейном в 1917 г. Идея исполь­ зования этого явления для усиления электромагнитных коле­ баний неравновесными квантовыми системами была выска­ зана советским физиком В. А. Фабрикантом в 1940 г. В 1951 г. В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бута­ ева получили авторское свидетельство на способ молекуляр­ ного усиления электромагнитного излучения. Теоретическое обоснование и конкретный проект молекулярного генератора были предложены в СССР в 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым; ими же был осуществлен генератор на пучке молекул аммиака, работающий на длине волны 1,27 см. Одновременно и независимо молекулярный генера­ тор был разработан группой ученых во главе с Ч. Таунсом

вСША.

В1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили ме­ тоды получения инверсных состояний в трехуровневых си­

72

стемах с использованием вспомогательного излучения на­ качки, Дальнейшее развитие эти работы получили в 1956 г., когда Н. Бломберген (США) предложил использовать для создания квантовых парамагнитных усилителей явление электронного парамагнитного резонанса в твердых парамаг­ нитных веществах. В 1957 г. были выполнены первые образцы таких усилителей, работающих с использованием трехуровне­ вых систем.

Следующий этап в развитии квантовой электроники ха­ рактеризуется интенсивными исследованиями, связанными с перенесением принципа усиления и генерации на основе вынужденного излучения в оптический диапазон. Эти работы привели к созданию оптических квантовых генераторов (ОКГ) и усилителей: в 1960 г. был построен первый импульс­ ный ОКГ на рубине; в 1961 г. появился первый газовый ОКГ на смеси гелия и неона; в 1962 г. были осуществлены первые полупроводниковые ОКГ. Основные принципы усиления и генерирования когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона сформулировали Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов, А. М. Прохоров и другие ученые в СССР и Ч. Таунс, А. Шавлов, Т. Мейман в США.

Работы ученых по квантовой электронике получили высо­ кую оценку. В 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров за создание молекулярных генераторов и разработку исходных положений квантовой электроники бы­ ли удостоены Ленинской премии. В 1964 г. Ленинская премия была присуждена группе ученых за создание полупроводни­

работы по квантовой электронике были удостоены Нобелев­ ской премии.

Все современные квантовые приборы можно разделить на две основные группы: квантовые приборы диапазона сверх­ высоких частот (мазеры) и квантовые приборы оптического диапазона (лазеры). В первой группе приборов в свою оче­ редь можно выделить два особых класса: квантовые генера­ торы, работающие на атомных и молекулярных пучках, и квантовые парамагнитные усилители.

Квантовые генераторы, работающие на атомных и моле­ кулярных пучках, используются главным образом в качестве активных стандартов частоты.

Квантовые парамагнитные усилители применяются в ос­ новном как сверхмалошумящие усилители СВЧ.

73

Области применения оптических квантовых генераторов и усилителей определяются рядом особых свойств их излуче­ ния — высокая когерентность и монохроматичность, высокая направленность и большая концентрация энергии в луче. От­ сюда вытекает использование ОКТ для целей передачи ин­ формации, в различных технологических процессах, меди­ цине, физических исследованиях и т. д.

Р а з д е л III.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Глава 6

Квантовые состояния атомов и молекул

Как уже указывалось, в основе работы квантовых прибо­ ров лежит взаимодействие электромагнитного поля с актив­ ным веществом, которое можно рассматривать как набор тождественных микрочастиц (ионов, атомов, молекул), обла­ дающих определенным спектром энергетических состояний. Согласно представлениям квантовой механики спектр собст­ венных энергетических состояний является дискретным, т. е. излучение или поглощение электромагнитной энергии микро­ частицами происходит отдельными порциями, квантами, в со­ ответствии с соотношением

При отсутствии влияния внешних полей указанные со­ стояния микрочастиц являются стационарными; энергия ста­ ционарных состояний в значительной степени определяется собственными энергетическими состояниями электронов, вхо­ дящих в ион, атом, молекулу. В свою очередь стационарное состояние электрона может быть полностью охарактеризо­ вано набором квантовых чисел — величин, определяющих возможные дискретные значения энергии электрона и его орбитального, спинового и полного моментов количества дви­ жения. Количество квантовых чисел, однозначно характери­ зующих состояние квантовой системы, равно числу ее степе, ней свободы.

Для характеристики стационарного состояния электрона используют пять квантовых чисел (л, /, тi, ms, /), из кото­

74

рых независимыми являются первые четыре. Аналогично мо­ жет быть описано состояние атома водорода и одноэлектрон­ ных ионов Не+, Li2+, Ве3+ и т. д., состоящих из положи­ тельно заряженного ядра и одного электрона, вращающегося вокруг ядра.

Поскольку электрон одновременно проявляет корпуску­ лярные и волновые свойства, можно говорить только о наи­ более вероятной траектории его движения. Для характери­ стики размеров области преимущественной локализации и основной части энергии электрона вводится главное кванто­ вое число, принимающее любые целые и положительные зна­ чения п= 1, 2, 3, 4, . . . ; квантование энергии атома как раз и приводит к ее зависимости от главного квантового числа. Если одному из возможных уровней энергии соответствуют несколько различных устойчивых состояний атома, то такой

что каждому значениюглавного квантового числа п соответ­ ствует 2п2 различных стационарных состояний движения электрона внутри атома. Вырожденные состояния отлича­ ются значениями других квантовых чисел.

Орбитальное, или азимутальное, квантовое число I свя­ зано с пространственными свойствами электронного облака, в частности с несферичностью области преимущественной локализации электрона, и определяет модуль вектора момен­ та количества движения электрона вокруг ядра P t (орби­ тального момента), который при данном п может принимать п различных значений:

указывает преимущественную плоскость локализации элект­

75