Микроволновый диапазон электромагнитных колебаний и его особенности. Обзор исторического пути развития микроволновых приборов. Современные технологии, использующие микроволновые приборы (стр. 2 )

Релаксация энергии частицы происходит с другим характерным временем, т. к. для потери избыточной энергии частице необходимо совершить большое количество актов рассеяния. Это верно для случая упругого рассеяния, которое на практике выполняется ввиду большой разницы в массе взаимодействующих частиц: электронов и ионов (или нейтральных атомов).

Время максвелловской релаксации.

Предположим, что рассматривается некоторая среда с проводимостью и диэлектрической проницаемостью , в которою помещен заряд с объемной плотностью . Определим характер изменения во времени этого заряда. Используя оператор дивергенции от правой и левой части 1-го уравнения Максвелла, учитывая выражение и уравнение Пуассона, получим уравнение для нахождения .

откуда

где

- время максвелловской релаксации, - заряд в момент времени . (Подробнее в материалах к лекции 3)

Плазменная частота и длина Дебая.

В полупроводниках в состоянии термодинамического равновесия с температурой одновременно существуют свободные подвижные заряды (электроны или дырки), а также неподвижные заряды (ионизированные доноры и акцепторы). При этом в среднем выполняется условие электронейтральности: . Понятно, что это условие нарушается, если рассматриваемый объем «мал». Кроме того, условие электронейтральности может нарушаться, т. к. подвижные носители меняют свое местоположение случайным образом из-за наличия у них тепловой энергии. При этом возникают кулоновские силы со стороны неподвижных зарядов, которые возвращают подвижные носители к положению равновесия. Подвижные носители, возвращаясь, по инерции пролетают мимо положения равновесия, и процесс приобретает колебательный характер, называемый плазменными колебаниями.

- период плазменных колебаний.

Относительно среднего положения равновесия заряды периодически (с характерным временем ) смещаются на расстояние порядка - длина Дебая. Такое смещение приводит к локальному нарушению электронейтральности. Естественно, если в качестве объекта выбрать объем больший чем , то электронейтральность в среднем будет выполняться. Учитывая это обстоятельство, мы не можем говорить о резких границах в распределении зарядов в полупроводниках. Граница может быть определена с точностью порядка . Ее часто называют пространственным масштабом разделения зарядов. Важно отметить зависимость данного параметра от температуры носителей и концентрации легирующей примеси. Воздействие внешнего электрического поля приводит к увеличению энергии подвижных носителей заряда и соответственно к увеличению . Этот факт необходимо учитывать при рассмотрении физики токопереноса в полевом транзисторе, особенно в режимах близких к запиранию прибора. (подробнее в материалах к лекции 3)

Время жизни и диффузионная длина.

В процессе движения зарядов в полупроводниках происходят релаксационные процессы, связанные с генерацией и рекомбинацией зарядов. Для того чтобы приборы работали в микроволновом диапазоне, необходимо выполнить условие во временной области и в пространственной.

Практические измерения времени жизни носителей заряда в полупроводниках показали величину . Пространственный интервал, связанный с этой величиной называется диффузионной длиной и рассчитывается с помощью следующего соотношения:

,

где -коэффициент диффузии.

7.​ Физические механизмы обмена энергией между заряженными частицами и полем. Теорема Шокли-Рамо.

Теорема Шокли-Рамо.

На экранирующих поверхностях наводятся заряды противоположного знака. При движении свободных зарядов – движутся и наведенные, образуя так называемый наведенный ток.

Интеграл по пространству взаимодействия:

где Jk – плотность конвекционного тока.

Наведенный ток:

Для произвольного изменения поля в пространстве взаимодействия:

Пусть , тогда:

8.​ Наведенный ток. Время и угол пролета носителей заряда в пространстве взаимодействия, коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка.

Наведенный ток (см. в предыдущем вопросе).

Время и угол пролета носителей заряда в пространстве взаимодействия.

Время пролета сравнимо с периодом микроволновых колебаний:

где θ - угол пролета, равный

Коэффициент взаимодействия.

Электронная нагрузка.

9.​ Анализ особенностей движения носителей заряда в вакууме и твердом теле. Сравнение типовых значений скорости носителей и плотности зарядов. Направления совершенствования приборов.

Сравнение типовых значений скорости носителей и плотности зарядов.

Направления совершенствования приборов.

Вакуумные приборы:

Повышение мощности и КПД в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Улучшение качества сигнала. Уменьшение стоимости производства и обслуживания.

Полупроводниковые приборы:

Повышение мощности и КПД. Продвижение в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны. Повышение надежности

10.​ Методы получения усиления и генерации микроволнового излучения в вакууме и твердом теле: фазировка, модуляция скорости, группировка и сортировка частиц, запаздывание инжекции, отрицательная дифференциальная подвижность, дрейф в тормозящем поле.

Фазировка, модуляция скорости, группировка и сортировка частиц.

Запаздывание инжекции, отрицательная дифференциальная подвижность, дрейф в тормозящем поле

11.​ Колебательные и волновые явления в потоках заряженных частиц (ПЗЧ).

Виртуальный катод (?)

12.​ Приборы с квазистатическим управлением. Причины ограничения частотного диапазона приборов данного класса. Характерные конструкции.

Приборы с квазистатическим управлением.

К этому классу приборов относят приборы с сеточным управлением. При таком управлении током его значение в каждый момент времени определяется тем, в какой мере суммарное электростатическое поле электродов компенсирует поле объемного заряда электронов у катода.

Причины ограничения частотного диапазона приборов данного класса.

Необходимость уменьшения расстояния катод-сетка и связанные с ней изменения структуры сетки, нагрев сетки, ее термодеформация и термоэмиссия в совокупности составляют проблему сетки в мощных приборах дециметрового диапазона длин волн (f ~ 1 ГГц) и ограничивают их продвижение в сторону более высоких частот.

Характерные конструкции.

Схематический чертеж клистрода: 1 – катод, 2 – управляющий электрод (сетка), 3 – входной резонатор, 4 – анод, 5 – выходной резонатор, 6 – коллектор.