В начале прошлого века Георг Ом получил экспериментальный результат, известный сегодня каждому школьнику ток, текущий по проводнику, прямо пропорционален приложенному напряжению; коэффициент пропорциональности - проводимость проводника - неизменен при постоянной температуре.
График такой пропорциональности, следуя установившейся терминологии, называют вольтамперной характеристикой проводника. Зависимость тока от напряжения (см. рисунок) в этом простейшем случае представляет собой прямую линию (а).
Шло время, и физики получали в свое распоряжение все больше, и больше разнообразных проводников электрического тока (в том числе полупроводников), учились помещать их в необычные условия. Вольтамперные характеристики при этом становились все менее похожими на линейные - каких только не встретишь теперь в этом букете!
Приглядимся повнимательнее к двум из них, отмеченным на рисунке буквами «в» и «г». Что в них необычного? Конечно же, участки АВ, и А'В', на которых в отличие от «нормальных» участков ток не растет, а падает с ростом напряжения.
К чему это приводит, мы постараемся объяснить в следующей главе.
ТРИ ПРИМЕРА
Представьте себе такое вы сжимаете в руке теннисный мячик. Как, и полагается, давление внутри мяча возрастает, и по мере того, как уменьшается его объем, сжимать мяч становится все труднее. Но вдруг вы обнаруживаете невероятное мяч при дальнейшем сжатии начинает все легче поддаваться вашим усилиям - давление воздуха внутри него не растет, а уменьшается с уменьшением объема!
Падающий участок на вольтамперной характеристике - явление такого же класса. Однако если описанный выше теннисный мячик вряд ли возьмется изготовить, какой-либо умелец, в электро и радиотехнике падающие участки вольтамперных характеристик - вещь, вполне осуществимая на практике. Есть у этого феномена, и свое название отрицательная дифференциальная проводимость, или сокращенно ОДП.
(Часто употребляют также термин «отрицательное дифференциальное сопротивление», но для нас это не существенно - важен сам факт «отрицательности». Проводимость - величина, обратная сопротивлению, так, что отрицательному сопротивлению всегда соответствует отрицательная проводимость, и наоборот.)
Чем же замечателен элемент, на вольтамперной характеристике которого есть такие диковинные участки? Наш второй пример покажет, что такой элемент может служить источником энергии.
Наглядности ради сначала рассмотрим элемент с обычной возрастающей характеристикой. Если через него пропускать переменный ток, то положительная полуволна напряжения (см. рисунок) вызовет положительную же полуволну тока, отрицательная - отрицательную полуволну. Другими словами, ток, и напряжение будут колебаться в фазе. Мощность, развиваемая в элементе, выразится через произведение тока на напряжение. Положительный знак произведения говорит о том, что элемент потребляет энергию электрического тока и расходует ее на нагрев себя, и окружающего пространства.
Посмотрим теперь на элемент с падающей вольтамперной характеристикой, то есть с ОДП. Здесь ток и напряжение будут колебаться уже в противофазе. Положительной полуволне напряжения соответствует отрицательная полуволна тока, и наоборот. Составляя произведение тока на напряжение, мы видим, что оно будет всегда отрицательным, то есть происходит не потребление энергии, а нечто противоположное - отдача энергии в цепь. Вот и получается, что элемент с ОДП представляет собою источник энергии.
Пример третий. От схематического рассуждения по поводу ОДП обратимся к реальной общеизвестной схеме простейшего колебательного контура. Катушка индуктивности, конденсатор, соединительные провода. Электрические колебания, возникшие в таком контуре, будут быстро затухать. О затухании позаботится активное сопротивление контура, под которым мы подразумеваем электрическое сопротивление соединительных проводов, обмотки катушки, и потери в конденсаторе.
Чтобы превратить такой контур в генератор незатухающих электрических колебаний, достаточно подключить к нему триод. Напряжение на сетке триода управляется колебаниями в контуре через катушку обратной связи. В те моменты, когда эти колебания приводят к росту потенциала на сетке, триод приоткрывается, и в цепь контура поступает порция анодного тока, или, другими словами, порция энергии от батареи. Эта энергия может покрыть потери в контуре, затухание исчезнет, и контур, как говорят, «загенерирует»
Анодный ток при этом колеблется в противофазе с напряжением на лампе, и вся схема подкачки энергии - усилительный триод с цепью обратной связи - ведет себя, как единый элемент, ток и напряжение на котором колеблются в противофазе. Узнаете? Мы описывали такой элемент в предыдущем примере. Он обладает ОДП, и служит источником энергии. Итак, схема с триодом по своему действию эквивалентна единственному элементу с ОДП, подключенному к контуру.
Эра полупроводников заменила стеклянные - колбы радиоламп, начиненные тончайшей металлической арматурой, миниатюрными, и надежными кристаллами. Вместо лампового триода в нашей схеме можно поставить транзистор. Но насколько заманчивее было бы подключить к контуру вместо сложной транзисторной схемы простейший полупроводниковый прибор - кристаллик с двумя выводами-электродами, имеющий вольтамперную характеристику с участком ОДП!
ЗАГАДОЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
В 1963 году американский физик Ганн занимался исследованием свойств арсенида галия (кристаллического соединения галлия с мышьяком). Неожиданно для себя он обнаружил весьма странное явление. Если он подавал на образец достаточно большое напряжение, то в цепи возникали колебания тока со строго определенной частотой (впоследствии выяснилось, что частота зависит от длины образца).
Здесь есть чему удивляться при словах «генератор импульсов» воображение рисует либо солидный прибор с множеством ручек управления, либо по крайней мере электронную схему из десятка деталей.
А у Ганна источником колебаний служил крошечный кусочек полупроводника! >'
Темпы современной науки стремительны всего восемь лет прошло со времени первого эксперимента Ганна, а литература по исследованию эффекта и связанных с ним явлений уже насчитывает сотни статей. Уже развилась новая область твердотельной сверхвысокочастотной электроники, использующей приборы на основе эффекта Ганна.
. Уже понят, и детально исследован механизм этого интереснейшего явления, который, как оказалось, тесным образом взаимосвязан с явлением ОДП.
Чтобы вникнуть в него, нам вначале придется поглубже разобраться в том,-что такое сопротивление проводника.
Всем известно, что электрический ток представляет собой поток электронов. Плотность тока (ток, приходящийся на единицу поперечного сечения проводника) представима произведением заряда электронов в единице объема проводника на их среднюю скорость. Если бы электронам ничто не мешало двигаться, то под действием постоянного поля они приобретали бы ускорение и их скорость, а с нею, и ток неограниченно возрастали бы со временем. Но в реальном кристалле электрону приходится буквально «продираться» сквозь различные нерегулярности кристаллической решетки, затормаживаться на примесях, беднягу непрерывно толкают фононы - колебания решетки Подобно тому, как в механике движению препятствует трение, все эго здесь приводит к тому, что поле может тянуть электроны не с ускорением, а лишь с некоторой постоянной средней скоростью, зависящей от подвижности электронов - их способности, несмотря на препятствия, пробиться к своей цели - более высокому потенциалу.
Итак, под действием поля в проводнике устанавливается стационарный ток. Несложные расчеты приводят к выводу, если концентрация и подвижность электронов не зависят от поля, плотность тока должна быть прямо пропорциональна величине поля (отсюда следует закон Ома); если же зависят. Вот тут-то, и начнутся «фокусы» вольтамперных характеристик
Например, если при увеличении поля подвижность будет падать, то вместе с ней будет падать и ток, связанный с подвижностью прямой пропорциональной зависимостью.
Мы можем получить в результате вольтамперную характеристику типа «г» (см. первый рисунок), то есть с участком ОДП.
Арсенид галлия оказался кристаллом, энергетическая структура которого приводит, как раз к такой зависимости подвижности от поля.
Пока напряженность поля мала, подвижность велика. Сильное электрическое поле увеличивает скорость хаотического движения электронов, «греет» их (термин взят из кинетической теории газов подвод тепловой энергии к объему газа убыстряет хаотическое движение его молекул, а это, и означает возрастание температуры). С ростом скорости хаотического движения подвижность электронов вдоль поля резко падает. Вместе с нею падает и ток. Вот, и мы получили желанную ОДП-ток падает с ростом напряженности поля.
Казалось бы, все в порядке бери кристалл арсенида галлия и используют его в радиосхемах. По все оказалось не так просто. Состояние с ОДП в полупроводнике не реализуется оно оказывается неустойчивым.
Малейшие колебания плотности заряда (а полностью избежать их принципиально невозможно) приводят к образованию домена - небольшой области внутри полупроводника с очень высокой концентрацией поля Домен возникает у катода, и под действием поля бежит к аноду. В момент финиша во внешней цени происходит всплеск тока; в следующее мгновение образуется новый домен и начинает свой путь к аноду.
Когда Ганн впервые наблюдал свой эффект, он еще не подозревал об этой «тайной жизни» подопытного образца (вскоре он выявил ее в изящном эксперименте), но реальное следствие пробегания доменов - колебания тока в цепи - он видел воочию
Здесь важно отмстить, что при рождении домена напряженность поля в остальном объеме полупроводника падает ниже того критического значения, которое необходимо для возникновения ОДП. Полупроводник, как бы избавляется от полей, вводящих его в неустойчивое состояние, -, но ценой образования домена сильного поля
(Все описываемые здесь явления могут происходить не только в арсениде галлия, но, и в других полупроводниках со сходной структурой. Повсеместное применение арсенида галлия объясняется технологическими причинами.)
ЭФФЕКТ РАБОТАЕТ
Итак, получить ОДП в чистом виде мы не смогли, однако при ее непосредственном содействии мы получили эффект Ганна - явление самопроизвольного возникновения колебаний тока в цепи, содержащей образец арсенида галлия
Наиболее широкое применение в настоящее время эффект Ганна нашел в генераторах и усилителях СВЧ-колебаний (мы снова прибегли к привычному для радиотехников сокращению, заменив буквами СВЧ прилагательное «сверхвысокочастотный»)
Генератор, непосредственно использующий колебания тока в цепи, вызванные пробеганием доменов, оказался малоэффективным он имел низкий КПД, и мог работать только на фиксированной частоте, определяемой размерами образца. Поэтому диод Ганна (так обычно называют кристаллы, подобные тем, на которых был открыт замечательны)! эффект) помещают в металлический резонатор. Здесь диод оказывается под воздействием СВЧ-поля, устанавливающегося в резонаторе благодаря колебаниям тока, протекающего через диод. Таким образом, диод через резонатор воздействует сам на себя. Это усложняет работу прибора, однако дает возможность изменять частоту генерации и к тому же значительно повышает КПД генератора. При определенных режимах работы комбинация ганновского диода с резонатором превращается в усилитель СВЧ колебании.
Диоды Ганна заинтересовали конструкторов вычислительных машин. Цифровые вычислительные машины оперируют с сугубо дискретными величинами - импульсами тока, напряжения. Поэтому импульсный характер эффекта Ганна оказался здесь весьма кстати. Если к этому добавить то, что диоды Ганна допускают микроминиатюрное исполнение, то можно сказать, что схемы с использованием диодов Ганна незаменимы для ЭВМ. Уже разработаны схемы, позволяющие выполнять простейшие логические операции - сложение, сравнение, и г. и.; проектируются и более сложные устройства преобразователь непрерывного сигнала в последовательность импульса, ячейки памяти, и т. д. Все эти конструкции отличаются компактностью и быстродействием - много большим, чем у используемых сейчас диодно-транзисторных схем.
НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ
Вы помните, что ОДП была готова развиться в ганновском диоде, но ей помешал домен. Для возникновения ОДП необходимы сильные электрические поля, а домен сконцентрировал в себе основную часть поля, оставив остальной объем образца при низких полях, а, следовательно, и без ОДП.
А нельзя ли избавиться от домена и все-таки воссоздать падающий участок на вольтамперной характеристике арсенида галлия?
Еще несколько лет назад американский физик Дж. Коуплэнд предсказал теоретически, и доказал экспериментально, что возможен такой режим генерации, в котором подавляется развитие доменов. Однако при этом на образец приходится подавать сильное постоянное электрическое поле, а при этом диод с большой вероятностью может «сорваться» в прежний, нежелательный режим с образованием доменов.
Группа сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР во главе с профессором С. Г. Калашниковым, и кандидатом технических наук Н. Е. Скворцовой решила пойти по иному пути использовать для «разогрева» электронов не постоянное, а сверхвысокочастотное электрическое поле.
Как бы ни было мало время образования домена (10^10 – 10^11 сек.), оно все же конечно. Гели на образец был бы подан импульс напряжений с длительностью меньше, чем 10^11 сек., и амплитудой больше критической, го домен образоваться не успел бы, а в течение импульса образец находился бы в состоянии с ОДП.
Итак, ОДП поддерживается в течение примерно 10^11 сек. Кажется, велик ли прок? Однако, если прикладывать не одиночный импульс, а СВЧ поле, можно добиться того, что прибор «в среднем» каждый период будет находиться в состоянии с ОДП, а домены не будут образовываться. Приложим теперь, помимо основного СВЧ-поля, сигнал с частотой, большей, чем основная частота. Для такого сигнала диод почти все время будет находиться в состоянии с ОДП, и сигнал будет усиливаться. (Энергия такого усилителя черпается от основного ноля - его называют также «греющим», поскольку именно оно увеличивает энергию электронов.) Ток, текущий через диод, при этом будет переменным - он будет меняться с частотой, равной некоторой комбинации частот «греющего» поля и усиливаемого сигнала. Мы получили, таким образом, очень важный для любого приемного СВЧ-устройства прибор, понижающий частоту принимаемого сигнала, - смеситель. Причем такой смеситель несет сразу две функциональные нагрузки он одновременно, и усиливает сигнал и меняет его частоту, в то время, как применявшиеся ранее смесители могли лишь «съедать» энергию сигнала, а усиление производилось потом с помощью дополнительных устройств.
Используя сходные принципы, можно построить детекторы СВЧ-сигнала, умножители частоты, и многие другие приборы.
Рабочие частоты этих приборов таковы, что позволяют оперировать в миллиметровом диапазоне длин волн, ранее плохо доступном. Применение этих приборов сулит широкие возможности в СВЧ-электронике.
