Одна из главных проблем современной электроники - освоение новых частотных диапазонов радиоволн. Здесь речь пойдет о том из них, который обозначают буквами СВЧ (сверхвысокие частоты). Так называют радиоволны с длиной волны от десятков сантиметров до долей миллиметра.
СВЧ-радиоволны сегодня нашли широкое применение в технике. Без них немыслима радиолокация - эта опора современной авиа и морской навигации, космических полетов ведь чем короче длина волны, на которой работает локатор, тем более мелкие детали он способен различать. СВЧ принадлежит будущее, и в вычислительной технике с ростом частоты сигналов повышается быстродействие ЭВМ.
Продвижение в область сверхвысоких частот происходит не безболезненно. Так, например, полупроводниковые транзисторы, миниатюрные, и надежные, сделавшие революцию в низкочастотной электронике, оказались бессильны в СВЧ-диапазоне. Слишком большой оказалась инерционность протекающих в них явлений, в частности тех, которые обусловливают усилительное действие транзисторов.
Потребовались новые полупроводниковые приборы, специально приспособленные для работы в СВЧ-диапазоне. Очень перспективными в этой области оказались приборы, использующие эффект разогрева электронов.
Как понимать этот термин?
Систему частиц принято характеризовать ее температурой. В обычном газе температура определяется средней кинетической энергией отдельных молекул. Чем она выше, тем выше температура газа. Коллектив электронов, свободно блуждающих по кристаллу полупроводника, можно рассматривать, как газ частиц и, следовательно, говорить о его температуре. Точно такой же смысл имеет, и температура атомов кристаллической решетки, но их кинетическая энергия связана не со скоростью свободных передвижений, а с интенсивностью колебаний около положений равновесия.
Электрическое поле, приложенное к кристаллу, ускоряет свободные электроны. Из-за интенсивных столкновений электронов с колеблющимися атомами решетки между ними происходит обмен энергией. В результате средняя кинетическая энергия отдельного электрона сравнивается со средней кинетической энергией атома. Другими словами, температура электронного газа, и температура решетки выравниваются - кристалл нагревается электрическим током.
Однако такое воздействие электрического поля на полупроводник не единственно возможное. Поле может сообщить дополнительную энергию электронному газу, оставив кристаллическую решетку в покое. Это происходит, если за время между двумя столкновениями с решеткой электрон приобретает от поля энергию большую, чем отдает при столкновении. В такой ситуаций, средняя энергия электрона станет больше, чем средняя энергия атома решетки. Другими словами, температура электронного газа станет выше, чем температура остова кристалла. В полупроводнике будут «уживаться» две системы частиц с разными температурами. Электронный газ, находящийся в таких условиях, называют «горячим»
Каким же образом достичь нагрева электронного газа?
Во-первых, «греющее» электрическое поле должно быть достаточно сильным.
Во-вторых, время свободного, без столкновений пролета электрона должно быть велико, ибо именно в это время электрон приобретает энергию от поля. Сталкивается электрон с различными не идеальностями кристаллической решетки (структурные дефекты в структуре, примесные атомы, и т. д.), и, следовательно, для уменьшения числа столкновений кристалл должен быть свободен от примесей, и иметь идеальную структуру.
В-третьих, при столкновениях с решеткой электроны должны отскакивать упруго, с малой отдачей энергии, и легко разгоняться электрическим полем. Это' достигается за счет уменьшения массы электронов. Казалось бы, предыдущая фраза бессмысленна - ведь масса электрона есть величина постоянная, раз, и навсегда определенная. Но это не так приводимая в справочниках константа есть масса электрона, движущегося в свободном пространстве. Естественно, в кристалле электрон ведет себя во многих отношениях иначе, однако его движение можно рассчитывать по законам, справедливым для свободного электрона, - нужно лишь приписать электрону в кристалле особую массу, называемую эффективной. Эффективная масса есть результат воздействия поля кристаллической решетки на электрон. Она может быть, как меньше, так, и больше массы свободного электрона, а может быть даже отрицательной (в последнем случае поведение электрона будет весьма странным он будет ускоряться в сторону, противоположную действующей силе).
Перечисленным выше требованиям удовлетворяют совершенные монокристаллы многих полупроводников германия, кремния, арсенида галлия, и др. В этих полупроводниках под действием электрического поля происходит эффективный разогрев электронов. Например, в германии или кремнии под действием поля в несколько киловольт на сантиметр электроны нагреваются более чем до 2000°С, хотя сам кристалл имеет комнатную температуру.
Интересно, что если полупроводник охладить до температуры жидкого азота (-195°С), то в том же поле электроны оказываются разогретыми уже до 5000°С. Очень важно подчеркнуть, что разогревание электронов электрическим полем происходит практически безынерционно. Как показывают наши измерения, электроны в германии, и кремнии разогреваются за 1012 сек. Именно это обстоятельство, и делает перспективным использование этого явления в технике сверхвысоких частот.
Рассмотрим, в, каких свойствах полупроводника проявляется эффект разогрева электронного газа, и, как эти свойства используются на практике.
В таких полупроводниках, как германий, и кремний, горячим электронам приходится сталкиваться с атомами значительно чаще, чем холодным. Частые соударения мешают продвижению электронов в направлении тянущего их внешнего электрического поля. Поэтому подвижность, величина, показывающая, какую скорость электрон приобретает в направлении единичного поля, уменьшается с. ростом температуры электронов.
Уменьшение подвижности с ростом поля означает не, что иное, как увеличение электрического сопротивления полупроводникового кристалла при увеличении приложенного к нему напряжения. Такое сопротивление называют нелинейным. Ток, протекающий через проводник с нелинейным сопротивлением, растет медленнее, чем напряжение, приложенное к проводнику. Сопротивление кристалла может увеличиваться, и столь быстро, что ток будет не расти, а падать с ростом напряжения. Такое явление наблюдается в арсениде галлия, и некоторых других кристаллах. Называют его обычно эффектом Ганна. Резкое увеличение сопротивления происходит в этом случае не из-за того, что. учащаются столкновения горячих электронов с решеткой. Это - следствие более тонкого эффекта горячие электроны попадают в состояние с большой эффективной массой. «Потяжелевшие» электроны движутся значительно медленнее, их подвижность падает, а сопротивление кристалла резко возрастает.
Разогревание электронов проявляется не только в изменении сопротивления, но, и во всех других кинетических явлениях в полупроводниках, на которых мы, естественно, не можем (^становиться, в краткой статье. Укажем лишь еще на один класс явлений в полупроводниках, связанный с разогревом электронов.
Многим хорошо известны полупроводниковые или металлические термопары. С их помощью измеряют температуру. Термопара состоит из двух соединенных на одном конце полупроводников (или металлов). Если место соединения (контакт) между, полупроводниками нагреть, то на концах термопары возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур между горячим спаем, и холодными концами полупроводников. Аналогичный эффект можно получить, если нагревать только электроны, поместив место соединения полупроводников в сильное электрическое поле. При этом термоэлектродвижущая сила, обусловленная горячими электронами, будет значительной, так, как температура электронов может достигать, как мы видели, нескольких тысяч градусов, что даже больше, чем температура плавления полупроводника.
В заключение расскажем об исследованиях горячих электронов в Институте физики полупроводников АН Литовской ССР.
В институте разработана довольно совершенная методика разогревания электронов в полупроводниках сильным сверхвысокочастотным электрическим, полем. Используя эту методику, было открыто немало новых явлений в полупроводниках эмиссия электронов под действием сверхвысокочастотного поля; термоЭДС, и фотоЭДС, обусловленные горячими электронами; умножение частоты. Было открыто, что при воздействии на полупроводник одновременно сильным переменным электрическим полем (разогревающим электроны), и слабым полем двойной частоты в нем возникает постоянная ЭДС, названная нами термоЭДС. Удалось создать отрицательные сопротивления различных типов в полупроводниках, легированных определенными сортами примесей, а также с различной обработкой поверхности.
Недавно в институте открыт очень интересный эффект отрицательное сопротивление постоянному току. Через такое сопротивление ток течет в обратную приложенному напряжению сторону - редкое явление в природе, впервые наблюдаемое в полупроводнике.
Все упомянутые здесь, и другие явления, обусловленные горячими электронами^ находят применение в практике.
Одним из примеров такого применения являются измерители больших сверхвысокочастотных мощностей. Измерение СВЧ-мощности является не простой задачей. СВЧ-сигналы распространяются не по проводам, а в специальных трубах - волноводах. Мощности СВЧ-сигналов достигают миллионов ватт, а длительности - менее миллиардных долей секунды. Для измерения таких сигналов нами использовано полупроводниковое нелинейное сопротивление. Под действием СВЧ-поля оно безынерционно изменяет свою величину. По значению этого изменения определяется мощность, проходящая по волноводу. Так же хорошо измеряет проходящую СВЧ-мощность прибор, в котором используется термоЭДС, обусловленная горячими электронами.
Можно привести немало других примеров использования горячих электронов в технике. Не один десяток изобретений сделали сотрудники института в этой области. Для ускорения технического прогресса важно, как можно быстрее доводить теоретические открытия до их практического применения. С этой целью в новой пятилетке при институте создается технологическая база, на которой в числе других будут изготавливаться, и приборы на горячих электронах. Это позволит институту активнее участвовать в решении актуальных проблем научно-технической революции в народном хозяйстве.
