Соответственно электронная почта относительно небольшой энергии попадают в нижнюю долину, но если энергии достаточно много сообщается электрону, то они могут попасть уже в верхнюю долину. Но за счёт того, что форма долина нижней и верхней разная, то эффективная масса электрона в долине снизу и сверху отличаются. Так что М1 меньше чем м2 (верхняя )
А раз эффективная масса электронов становится больше с ростом энергии то и скорость дрейфа этих электронов становится меньше. Это говорит о том, что подвижности электронов, попадающих в верхнюю долину, резко падает. То есть пока у нас энергия электронов маленькая, т.е. поле маленькое, подвижность большая, потому что электроны лёгкие. После того как энергия начинает увеличиваться так что отдельный электрон уже способный попадать в зону с низкой подвижностью. То поле скоростная характеристика начинает изменяться и выходить на максимум. (Точка называет критическим полем Екр порядка 3.5 кВ на см).
После этого на характеристики возникает перегиб, и мы видим спадающий участок. И на этом участке подвижность электрона начинает падать. Он называется область отрицательной дифференциальной подвижности. Т.е. дифф подвижность в этой части <0. С ростом энергии подвижность электронов падает, а значит и скорость дрейфа с ростом энергии, ростом поля снижается.
2)С помощью поле-скоростной характеристики v(E) GaAs поясните понятие коэффициента анизотропии
Усиление на УБВ реализуется за счет нарастания ВПЗ, распространяющейся от входного к выходному БШ в среде, обладающей ОДП. Свойства такой среды определяется кинетической характеристикой зависимостью средней скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля v(Е).
При Е > Eкр (Екр = 3500 В/см для GaAs) коэффициент анизотропии отрицателен
где 
-- дифференциальная подвижность 
; 
-- статическая подвижность
Коэффициент анизотропии.
µс -статическая подвижность, те скорость дрейфа на напряженность Эл поля. (Та самая, когда мы говорили о распространении (дрейфе) электронов в различных материалах). µддифференциальная подвижность дv/дЕ |Е=Е0.
Рассмотрим поле скоростную характеристику гаас (АРСЕНИД Галия используется в качестве основного П/П с отрицдифподвиж). Видно, что есть область нарастания максимум и область убывания, которая плавно переходить обратно в область нарастания. Чтобы рассчитать статическую подвижность надо соединить начало координат с точкой в которой мы хотим знать эту подвижность и посмотреть какой угол будет получаться. И тангенс этого угла будет равен
µс.
Везде угол острый, везде подвижность имеет продолжительное значение.
Дифференциальная подвижность. Геометрически ее нахождение — это надо проводить касательную (зелёная штриховая линия) и посмотреть угол тетта 2. Если проводим к точке на нарастающей части кривой, то угол тетта 2 острый и µд будет положительная. Если говорить о точках, где спадающий характер зависимости µд будет отрицательная.
(Опечатка в слайде ) к<0 , коэффициент анизотропии отрицательный.
Т.е. при переходе через напряженность электрического поля равной критической, КОЭФФИЦИЕНТ анизотропии меняет свой знак. Сначала положительный потом ноль в максимуме потом отрицательный.
В области линейного нарастания (начало характеристики), т.е. там, где пока скоростная характеристика имеет ещё линейный характер, статическая и динамическая подвижность не смотря на разные формулы имеют одно значение. Т.к. линейная характеристика и здесь коэффициент анизотропии равен 1. Это нужно чтобы проанализировать решение дисперсионного уравнения.
3)Как в УБВ можно реализовать условия, соответствующие моделям жесткой и свободной границ для ВПЗ
1) модуляция толщины пленки:
Модель жесткой границы реализуется при малой толщине пленки, когда поток электронов не оттеснен от границы. Именно тогда и появляется сильная зависимость коэффициента усиления
от частоты, что объясняется уменьшением объема сгустков заряда. Также здесь существует сильная зависимость коэффициента диффузии от частоты, что также влияет на усиление.
В модели свободной границы, которая проявляется при больших толщинах пленки GaAs, коэффициент усиления не зависит от частоты и постоянен при дальнейшем увеличении толщины пленки, а также практически не зависит от диффузии. Поэтому здесь также можно получить наибольшее усиление. Электроны, в силу толщины плёнки и наличия большего свободного пространства, оттесняются от границы п/п в объём плёнки.
2) прицепление дополнительного управляющего контакта в центре структуры, с помощью которого поток отодвигается от границы структуры.
Если говорить о влиянии толщины пленки на процесс распространения волны.
Если мы говорим об очень тонкой пленке, то в этой пленке весь поток электронов будет распространяться вблизи границы те все электроны всего электронного потока (волны пространственного заряда), все будет двигаться в рамках модели жёсткой границы. Для них для всех КОЭФФИЦИЕНТ диффузии будет большим. И соответственно в тонкой пленке весь поток электронов, вся волна пространственного заряда работает в рамках модели жёсткой границы.
Если говорить о Толстой пленке, то даже если волна прижата к поверхности, то за счёт того, что поток электронов будет распределен в большЕм объеме пленки, в рамках модели свободной границы и жёсткой, двигаться будет разное количество электронов. Т.е. те, которые двигаются вблизи поверхности в рамках модели жёсткой границы, те кто движутся вдали от границы в рамках свободной границы. Резкого перехода между этими моделями нет. И чем толще пленка, тем больше электронов может двигаться в рамках свободной границы с меньшим коэффициентом усиления???наверно диффузии (тем выше коэф усиления).
Если говорить про тоненькую границу, из-за того, что очень малое число электронов может двигаться в такой структуре в рамках свободной границы, то и влияние самой модели (жёсткой или свободной) очень сильное. Потому что в тонких пленках, если мы берём модель жёсткой границы, то все электроны будут двигаться в рамках этой жёсткой границы, и мы не сможем выделить сколько-либо электронов чтобы они двигались в рамках свободной. Поэтому влияние модели очень сильное.
4)Что определяет максимально возможное расстояние между антенами
при увеличении расстояния между входной и выходной антеннами коэффициент усиления возрастает. Это объясняется тем, что так как коэффициент анизотропии отрицателен, то волна, распространяясь в УБВ, усиливается. Это происходит из-за разных скоростей носителей, в результате чего электроны из областей с меньшей концентрацией стремятся в области с большей концентрацией, происходит модуляция потока по плотности. Чем больше расстояние пройдёт ВПЗ, тем больше поток будет промодулирован, и тем больше будет амплитуда сигнала на выходе.
В области, где их и так было много становится их ещё больше, где мало становится ещё меньше. т.о. Получаем усиление колебания.
Давайте сделаем пленку гаас ну очень длинной, и тогда мы сможем получить сумасшедший большой коэффициент усиления. Однако длина пленки, в которой может происходить усиление в значительной степени ограничена тем, что по мере того, как мы получаем область с большой концентрацией и область с маленькой концентрацией. Мы можем прийти к тому, что разница в этих концентрациях будет приводить к огромной разнице в электрических полях
Такой что произойдет формирование домена сильного поля. Домен сильного поля — это скопление электронов в гаас (полупроводниках с отриц диф подвиж может возникать) которые за счёт своего собственного поля т.е. поле, которое они сами и создают держаться в форме домена. Те в некой области такой. Т.е. локализованы в объеме П/П, при этом в общем поле, которое создаётся истоком и стоком они могут двигаться в соответствии с направлением поля. Но при этом это уже становится доменом сильного поля, т.е. электроны то они есть то их нет. На этом принципе работает диод Гана. Т.е. усилитель если сделать его очень длинным (ПП пленку длиной), то усилитель превратится, а диод Гана и будет генерировать импульсы, что не очень с точки зрения процесса усиления. Ограничения на длину возникает, потому что мы не можем избавиться от домена сильного поля!
СЕНИН ВОПРОС Почему мы не можем сделать сколь угодно длинную структуру??
Кусок арсенида Галия с одной стороны (исток типа ) сделаны неоднородность, она начинает создавать колебания концентрации потока электронов движущегося по гаас пластины по объему пленки гаас. Дальше счёт ОДП электронная начинают перераспределяться и электронная формируют домены сильного поля.
Те за счёт ОДП сами себя делать в куче и мы получаем генератор импульсов , диод Гана. Если сделать сколько угодно длинным усилитель волн пространственного заряда то типа неоднородность возникающая за счёт модуляции потока входным барьером Шоттки она будет не просто усиливать колебания а превращать в последовательность импульсов за счёт того что на определенной длине у нас возникнет домен сильного поля. Потом электронная уже будет не перераспределить . Они соберутся в куче и там и будет сидеть и у нас получится на колебание гармоническое а импульс. То пришли электроны то не пришли вообще.
5)Как влияет диффузия для распространения и усиление ВПЗ
При одинаковой толщине коэффициент усиления меньше на более высоких частотах. За меньший период сгусткам пространственного заряда сложнее сформироваться. Вследствие наличия градиента концентраций («сгустков» и «разрежений») происходит размытие сгустков. На низких частотах есть достаточное время, чтобы сформировался пространственный заряд, т.н. «сгусток», достаточной плотности. Он размывается вследствие диффузии относительно не сильно, тогда как на заряд меньшей плотности диффузия будет влиять заметно сильнее.
Влияние диффузии проявляется двояко. Во-первых, она создает для каждой моды обратную (диффузионную) волну. распространяющуюся навстречу дрейфу электронов за счет процесса диффузии и сильно затухающую, так как обычно
. Во-вторых, диффузия влияет на постоянные распространения прямых волн, существующих при D = 0. При этом слабая диффузия практически не возмущает фазовой скорости прямых волн, оставляя их вырожденными, т. е.
. За счет диффузии изменяется лишь постоянная затухания (нарастания) волны, при этом — различным образом в зависимости от характера границы потока со стороны диэлектрика. Если за счет потенциала на металле поток оттеснен от верхнего края полупроводниковой пленки, то граница является свободной. Если поток электронов не оттеснен от края пленки, то граница
является жесткой. В соответствии с характером границы будут различаться граничные условия при решении дисперсионного уравнения. Нормированные постоянные (нарастания) в первом приближении равны:
Для усиливаемых волн (α0 < 0) в режиме ОДП (к < О) второе слагаемое в этих формулах положительно. Это означает, что диффузия существенным образом снижает усиление в области высоких частот: если при D = 0 каждая волна имеет на высоких
частотах αmax, то при D = 0 диффузия подавляет усиление на высоких частотах и тем самым ограничивает частотный диапазон.
ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИИ. УСИЛЕНИЕ С УЧЁТОМ ДИФФУЗИИ.(объяснение на 5)
Здесь все не так просто потому, что мы можем рассматривать при распространении волны 2 вида диффузии. Диффузия продольная и поперечная.
(Синее - волна, зелёное - волноведущая среда) можем наблюдать Диффузию продольную j|| - продольный ДИФФУЗИОННЫЙ ток, он будет перемешать заряды из области, где их много в область, где их мало. Но мы должны помнить, что существует поперечный ДИФФУЗИОННЫЙ ток. Т.е. из синей области электроны могут идти наверх, однако важно понимать, что по мере распространения волны поперечная составляющая диффузионного тока она для нас не имеет большой проблемы. Потому что когда мы принимаем волну, по сути, мы смотрим сколько электронов просто под барьером Шоттки и то, что они растянулись вверх и вниз не имеет большого значения. Потому что амплитуда колебания по длине в направлении оси х, она не меняется, т.е. где их было много, там их много и осталось, они просто в конкретно этом сечении определены в большем объеме П/П (по большему сечению). В то время как продольная составляющая j|| она играет роль крайне негативную.
Векторная сумма продольной и поперечной составляющей будет составлять суммарный диффузионный ток и имеет этот ДИФФУЗИОННЫЙ ток будет определяться коэффициентом ДИФФУЗИИ. Поэтому если волна распространяется в объеме П/П, то может существовать как поперечная, так и продольная составляющие и их сумма обязательно должна быть равна ДИФФУЗИОННОМУ. Т.е. ДИФФУЗИОННЫЙ ток суммарный будет определяться свойствами структуры. А соотношение продольной поперечной компонент определяться условиями, в которых распространяется волна. Если волну прижать к поверхности рисунок справа) то поперечная составляющая поскольку тут будет граница раздела (голубой выше это Дэ) значит вверх электроны уже практически не пройдут. Поэтому ДИФФУЗИОННая составляющая поперечная будет практически нулевая. Продольная составляющая при этом увеличится, поскольку сам итоговый суммарный коэффициент диффузии не поменялся. Поэтому при условии, когда волна прижата к поверхности и поперечная составляющая ДИФФУЗИОННОго тока практически равна 0, то можно говорить о том, что продольная составляющая, негативно влияющая на распространение волны, она равна самому ДИФФУЗИОННОМУ ТОКУ, по сути, продольная составляющая и определяется коэффициентом ДИФФУЗИИ
Т.о. с учётом диффузии мы должны всегда помнить о том, что диффузия усиление уменьшает.
6) При какой границе потока (жесткой или свободной) на высоких частотах достигается максимум коэффициента усиления
В модели свободной границы, которая проявляется при больших толщинах пленки GaAs,
коэффициент усиления не зависит от частоты и постоянен при дальнейшем увеличении толщины пленки, а также практически не зависит от диффузии. Поэтому здесь также можно получить наибольшее усиление.
Если сравнивать модели жёсткой и свободной границы потока то можно говорить, что даст модели жесткой границы в силу того что коэффициент ДИФФУЗИи весь работает на то чтобы погасить волну (снизить коэф усиления), то и во всем частотном диапазоне он будет ниже и ВЛИЯНИЕ его начнется чуть раньше на меньших частотах и амплитуда максимальная (Макс коэф усиления) во всем диапазоне ачх тоже будет меньше, только потому что коэф диффузии в данном процессе будет выше.
Из-за использования модифицированного коэф диффузии с меньшим значения для свободной (квазисвободной) границе потока будет меньше влияние ДИФФУЗИИ, больше коэффициент усиления.
Легкий способ
При этом очень часто не используется схемотехнические принципы построения устройств. т.е. берется некий материал исследуются его свойства, его свойства оказывается очень выдающимися и на этих свойствах строится какой-либо прибор. Из основных материалов, которые чаще всего используются в функциональной электронике: сегнетоэлектрики, ферромагнетики, полупроводники, пьезоэлектрики, оптические среда (оптически активные среда чаще), сверхпроводники. Устройства, которые на них делаются: фазовращатели, фильтры, линии задержки, усилители, генератора, модуляторы, логические элементы. (Создаются промышленно на предприятии для тех или иных целей и монет быть найдены легко в магазине). Примеры основных свойств, которые используются в этих средах для построения устройств функциональной электроники: дисперсионные свойства, нелинейные, домены (как пример динамическая неоднородность, то есть домены могут двигаться, как-то менять свою форму). Усилитель волн пространственного заряда — это устройство СВЧ.
ОБЩИЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ (работы):
Нам нужны внешние условия (большой голубой прямоугольник), которые позволят просто функционировать устройству. Т.е. если мы говорим о сегнетоэлектрике или ферромагнетике, то он должен быть в таких условиях чтобы находиться в сегнетофазе или ферромагнитной фазе и не вываливаться в парофазу. Если говорить о сверхпроводниках, то сверхпроводник должен быть охлажден.
Помимо этого, нам нужны элементы возбуждения и приема. Если говорим о волновых устройствах. И волноведущая среда, в которой распространяются волна. С волной могут происходить различные эффекты начиная от поворотов фазы, задержки, фильтрации и заканчивая усилением и генерацией. Если говорить о генерации, то диод Гана.
Диод Ганна – особая разновидность полупроводниковых диодов, отличающийся от своих аналогов наличием отрицательного сопротивления. Оно возникает в однородном полупроводнике если к нему прикладывается значительной силы электрическое поле. Он зависит от толщины, которая может быть единицей до нескольких микрон. Заключается этот слой между двумя контактами – анод и катод.
Основным материалом изготовления таких диодов служит вещество арсенид галия или фосфид индия. Дифференциальное сопротивление с отрицательным значением возможен благодаря эффекту междолинного перехода электродов в зоне проводимости.
Что такое эффект Ганна
При комнатной температуре Т = 300 К согласно (3.16) n2/n1 = 7×10-5, т.е. практически все электроны зоны проводимости находятся в нижней долине. Положение меняется при прикладывании к диоду напряжения Uо. С увеличением U0 возрастает напряженность электрического поля Е =U0/L (L – длина активной области диода) и энергия электронов, что эквивалентно возрастанию температуры Т. В результате возрастает число электронов проводимости, переходящих из нижней долины в верхнюю.
УБВ
Он состоит из п/п-ой пленки (зелёный прямоугольник). Выращенной на полу изолирующей подложке. Сделали два омических контакта (1,6), подавая разность потенциалов на контакты эти контакты, мы создаём пространственный заряд, который дрейфует (голубая волна) из истока к стоку. Происходит дрейф электронов. Т.е. пространственной заряд движется. Элемент 2 это барьер Шоттки. Подавая на него СВЧ сигнал, мы можем регулировать глубину обеднения и таким образом модулировать поток электронов, движущийся вдоль пленки. Получается волна.
В области (которая выделена красным), за счёт различных эффектов может происходить затухание или усиление. Контакт 5 построен по принципу барьера Шоттки. Он позволяет детектировать волну, превратив ее обратно в электромагнитную, в электрический сигнал по сути. И передать куда-то дальше после того, как произошло усиление. Элемент 3 это элемент для управления коэффициента усиления (рассмотри на след занятии.!!!!!!!!) Пленка сама по себе легированная.
ПРИНЦИП РАБОТЫ НА ПАЛЬЦАХ!!!
После того, как мы промодулировали поток электронов. Мы можем видеть, что концентрация носителей заряда от исходной (той которая была без модуляции) начинает меняться. Предположим, что за счёт модуляции мы смогли её менять по гармонической функции в виде синусов.
Что при этом происходит: мы можем при этом рассмотреть уравнение Пуассона
И из этого уравнения посмотреть, что будет с электрическим полем в этом полупроводнике. Если у нас изменения концентрации электронов пропорционально синусу, то изменения объёмного заряда будет пропорционально -sin(х). Соответственно подставляя пропорциональность -sin(х) в уравнение Пуассона мы можем найти как будет меняться электрическое поле. Те изменение электрического поля в ПП.
Находится это одиночным интегрированием. После чего мы получаем, что изменения электрического поля происходит по закону -cos(х) (х -просто координаты вдоль направления распространения волны). Таким образом изменение поля относительно исходного с Е0 это поле, которое нам исходно задано разностью потенциала исток сток. А дальше уже сам поток электронов за счёт того, что его концентрация промодулирована и снизу электронов больше, чем сверху.
Этот поток создаёт свое локальное электрическое поле, те моделирует исходное, и модуляция происходит по законам -cos(х). На рисунке проведена Соответствующая линия.
Соответственно теперь если мы знаем электрические поле и электрические поле плавает, мы можем сказать раз оно плавает то будет плавать и скорость дрейфа электронов. Т.е. она будет определяться не только электрическим полем созданным истоком и стоком. Она будет регулироваться ещё в зависимости от координаты. Т.е. в какой области находится электрон. В области с большой концентраций или в области с малой.
Если рассмотреть поле скоростную характеристику (на фотке кремний)
Можно сказать, что в области, где электрическое поле увеличивается (те чуть больше, чем Е0) скорость дрейфа также увеличивается. Если где-то электрические поле чуть меньше, чем среднее по пленке (т.е. чем-то, которое задаётся потенциалом на истоке и стоке) то и скорость дрейфа электронов начинает снижаться. Это значит, что, если у нас поле больше и скорость дрейфа большая. То в части как на рисунке: