Контрольная работа по "Электронные приборы и устройства"

Распределение концентрации примесей в диодах с накопление заряда  показано на рис. 9 а. Переход создается в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник n-типа с равномерной концентрацией донорной примеси N_д. Концентрация акцепторов N_a убывает по экспоненциальному закону и p-n-переход образуется вблизи сечения х₀ , где N_а=N_д. Концентрация дырок в р-области (рис. 9 б) определяется разностью N_a — N_д , а электронов в n-области — разностью N_д—N_a. Появление градиентов дырок и электронов вызовет диффузию. В n-области электроны (основные носители) начнут перемещаться из мест с большей концентрацией   в места  с меньшей концентрацией и вызовут нарушение электрической нейтральности. В правой частиn-области, откуда ушли электроны, проявится положительный заряд донорных ионов, а в левой части — отрицательный заряд пришедших сюда электронов. Таким образом, в n-области возникает электрическое поле Е_п (см. рис.4.1б). Это поле вызовет в n-области дрейфовый ток электронов, направление которого противоположно диффузионному току. Когда дрейфовый ток станет равен диффузионному, наступает состояние равновесия, характеризуемое определенным значением напряженности электрического поля Е_п в n-области. Такие же процессы происходят в р-области, в которой появится поле с напряженностью Е_р.При подаче на диод прямого напряжения происходит инжекция дырок в n-область и электронов в p-область. Однако в ДНЗ электрическое поле Е_п препятствует диффузии инжектированных дырок вглубь n-области, поэтому они концентрируются (накапливаются) вблизи перехода. Аналогично инжектированные электроны накапливаются в р-области вблизи границы перехода. В отличие от диодов с равномерным распределением акцепторов и доноров, в ДНЗ инжектированные электроны и дырки оказываются «сгруппированными» около границ перехода.

а)
аб)

Рис. 9. Распределение концентрации: 

а) примесей; б) дырок в р-области

 

При скачкообразном изменении  напряжения с прямого на обратное в момент t=0 на рис. 10 концентрация ранее инжектированных неосновных носителей на границах перехода должна уменьшиться. Появление градиента концентрации носителей вызовет диффузионное движение этих носителей, которые потом перейдут в другую область, так как электрическое поле в переходе является для неосновных носителей областей р-n-перехода ускоряющим. Появляется большой обратный ток перехода, который ограничивается сопротивлением цепи (горизонтальный участок. Для ДНЗ характерно то, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t₁, когда хорошо «сгруппированные» около границ перехода неосновные носители заканчивают прохождение перехода. При надлежащем выборе закона распределения примесей в ДНЗ интервал времени от t₁ до t₂, при котором обратный ток достигнет значения 1,2I₀ (I₀ — обратный ток в статическом режиме), может составлять сотни или десятки пикосекунд. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления.

Рис. 10. Переходная характеристика диода с накоплением  заряда

 

 

 При воздействии на ДНЗ  синусоидального напряжения, вызывающего  как прямой, так и обратный токи, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного  тока обусловливает появление гармонических  составляющих высокого порядка с  большой амплитудой и возможность  эффективного умножения частоты, т.е. спектр периодических импульсов  тока содержит много гармоник, поэтому  ДНЗ применяются вместо других типов  диодов в схемах умножения частоты  и позволяют получить больший  коэффициент умножения. Пример параметров схемы умножения на ДНЗ: частота  входного сигнала 2 ГГц, выходного — 10 ГГц, входная мощность 2 Вт, выходная — 0,15 Вт. На более низких частотах можно  получить большую выходную мощность.

Основными требованиями, предъявляемые  к диодам с накоплением заряда является малая емкость перехода и минимальное сопротивление  базы, для чего площадь перехода и толщину базы выполняют малыми. В диодах с накоплением заряда t_р должно быть достаточно велико, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения площади перехода до 10^-5 см² в случае работы в наносекундном диапазоне используют меза- или планарно-эпитаксиальную технологию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обратного сопротивления в той или иной степени присущ любому полупроводниковому диоду с диффузионным р-n-переходом.

4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

НА АММИАКЕ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ

 

Исторически первым квантовым прибором явился молекулярный генератор на пучке молекул аммиака, в котором для создания неравновесного состояния использовалось разделение ("сортировка") молекул, обладающих разными энергиями. В процессе "сортировки" из объема удаляются молекулы, находящиеся  на нижнем энергетическом уровне, т.е. создается система, в которой  большинство молекул обладает избытком энергии. В процессе работы системы  молекулы, совершившие переход с  верхнего уровня на нижний, удаляются  из рабочего объема и используются снова для пополнения "запаса" молекул, находящегося на верхнем энергетическом уровне.

1-источник молекул  NH₃; 2- диафрагма; 3- квадрупольный конденсатор; 4-резонатор; 5- волновод; 6-охлаждаемый кожух;

7-жидкий азот; 8-корпус; 9- молекулярный пучок.

 

Рис. 11. Схема устройства квантового генератора на пучке молекул аммиака

 

Элементы генератора (рис. 11) монтируются в сосуде, из которого откачивается воздух. Источник аммиака представляет собой резервуар, в котором поддерживается давление 0, 67-2, 66 кПа.

Молекулы под  влиянием разности давлений выходят  из резервуара через небольшое отверстие (диаметр отверстия должен быть меньше длины свободного пробега молекул  в газе). К выходящему молекулярному  пучку предъявляются два требования:

1.Пучок должен  быть достаточно интенсивен;

2.Не допускать  соударений молекул в пучке,  т.к. такие соударения вызывают  нежелательные переходы в молекулярной  системе.

Далее пучок молекул  подается на сортирующее устройство-систему, образующую неоднородное электрическое  поле. Принцип сортировки молекул  по их энергетическим уровням основан  на законах взаимодействия молекул, обладающих электрическим дипольным  моментом, с неоднородным электрическим  полем. Неоднородное поле создается  квадрупольным (четырехполюсным) конденсатором, состоящим из четырех стержней, имеющих  сечение специальной формы, которые  расположены параллельно и симметрично  относительно оси пучка молекул. Электроды попарно через один подсоединены к полюсам источника  высокого напряжения (около 30 кВ). Поля, образуемые при таком включении  отдельными электродами, складываются так, что на оси пучка напряженность  поля равна нулю, а между электродами  достигает максимальных значений. Взаимодействие молекул с неоднородным полем  зависит от энергетического состояния  молекул. При движении пучка вдоль  конденсатора молекулы, находящиеся  на высшем энергетическом уровне, стремятся  выйти из поля и поэтому отклоняются  к оси конденсатора. Молекулы находящиеся  на нижнем энергетическом уровне, отклоняются  в противоположную сторону, т.е. выталкиваются  из пучка. Т.о. создаются условия, при  которых на оси конденсатора оказываются  молекулы, обладающие избытком энергии. Поток отсортированных молекул  аммиака направляется в объемный резонатор. Основная частота резонатора выбирается равной частоте перехода молекулы с верхнего уровня на нижний. Скорость и плотность потока выбирают такими, чтобы в резонаторе находилось столько молекул, сколько их необходимо для образования автоколебаний.

Вызванное или индуцированное излучение складывается с полем  резонатора, увеличивая его. Усиленное  поле в свою очередь вызывает излучение  большого числа молекул. Если энергия  индуцированного излучения окажется больше потерь в нагруженном резонаторе, то в резонаторе возникнут незатухающие автоколебания.

Усиление поля в  резонаторе будет происходить до тех пор, пока излучаемая молекулами мощность будет превосходить мощность потерь. При определенных условиях режим усиления перейдет в режим  автоколебаний. Колебания будут  нарастать до тех пор, пока мощность излучения не станет равной сумме  мощности, отводимой в волновод и  мощности потерь. Это произойдет при  наступлении явления насыщения. Величина излучаемой мощности зависит  от плотности молекулярного пучка. Чем больше плотность молекулярного  пучка, тем больше мощность излучения. Ввиду того, что на молекулярную систему, особенно при сильном охлаждении ее, окружающая среда влияет крайне незначительно, могут быть получены генераторы и усилители с весьма высокими показателями. Малый коэффициент  шума объясняется тем, что в рассматриваемом  процессе участвуют нейтральные  частицы, хаотическое движение которых  не вызывает каких-либо электромагнитных явлений.

Объемный резонатор  делается обычно из инвара (сплав Fe и Ni (36%)) с внутренним гальваническим покрытием  из серебра.

Ввод пучка в  резонатор осуществляется через  предельные волноводы для уменьшения потерь на излучение. Частота молекулярного  генератора зависит также от напряжения на сортирующем устройстве и давления в источнике.

Мощность, излучаемая генератором на аммиаке, составляет примерно 10^-9 –10^-10 Вт.

Наиболее важным свойством молекулярного генератора является высокая стабильность частоты  генерируемых колебаний. Она объясняется  тем, что частота перехода определяется свойствами самих молекул и практически  не зависит от внешних факторов.

Молекулярный генератор  подобного типа, построенный с  соблюдением условий, касающихся точности и добротности его элементов (поддержание  Т резонатора с точностью до 0, 01°С, напряжения на конденсаторе до 0, 2% и интенсивности пучка до 1%), может  быть использован в качестве абсолютного  стандарта частоты, не нуждающегося в предварительной градуировке.

Применение. Молекулярные и атомные генераторы используются в устройствах для точного измерения времени в молекулярных и атомных часах. Одним из вариантов таких молекулярных часов являются кварцевые часы, в которых кварцевый генератор непрерывно подстраивается по сигналу молекулярного генератора с помощью схемы фазовой автоподстройки.

Высокая абсолютная и относительная стабильность частоты  квантовых генераторов позволяет  применить их для решения ряда научных и технических задач. При помощи молекулярных часов удалось  заметить и изучить неравномерность  суточного вращения Земли. Молекулярные генераторы могут быть использованы также для повышения точности навигационных систем.

Недостатки:

1. Необычайно узкая полоса пропускания;

2. Трудность осуществления перестройки по частоте.

 

 

 

 

СПИСОК  РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Электронные,  квантовые  приборы  и   микроэлектроника /  Под  ред.  Н.Д. Федорова. – М.: Радио и  связь, 1998.

2. Андрушко  Л.М.,  Федоров  Н.Д.  Электронные   и  квантовые  приборы СВЧ.  – М.: Радио и связь, 1981.

3. Федоров Н.Д.  Электронные приборы СВЧ и  квантовые приборы. – М.: Атомиздат, 1975.

4. Березин В.М.  Электронные СВЧ приборы. –  М.: Радио и связь, 1981.

5. Рябов С.Г., Трошкин  Г.П. и др. Приборы квантовой  электроники. – М.: Сов. радио, 1985.

6. Рожанский   В.Б.  Электронные  приборы   СВЧ:  Учеб.  пособие. –  Мн.: БГУИР, 1997.

7. Дулин В.Н. Электронные приборы. Изд. 3-е. М., «Энергия», 1977.

8. Лебедев  И.В.  Техника  и  приборы  сверхвысоких  частот.  Т. I.  Изд. 2-е.  М., «Высшая школа», 1970.