Поток электронов начинает чуть-чуть ускоряться. Т.е. начинает смещаться вперёд относительно средней скорости движения этого потока. Если же поле меньше в области (рисунок)
Скорость дрейфа становится так же меньше, чем та которую задаёт исток сток. Соответствено эти электроны(рисунок) начинают отставать
Т.е. происходит следующее: из области, где электронов много, электроны начинают смещаться в область, где их мало. Таким образом амплитуда этого колебания (максимум и минимум концентрации) начинает снижаться. В результате этого у нас происходит по мере распространения волны амплитуда этой волны, уменьшается, что эквивалентно затуханию этой волны при распространении.
Перейдем к GAAS арсенид Галия !
Арсенид Галия хорош тем, что к него есть так называется область отрицательной дифференциальной подвижности. ООДП возникает из-за то го что арсенид Галия является прямозонным полупроводником с несколькими долинами.
Энергетическая ДИАГРАММа арсенида Галия.
По мере того, как мы подаем на арсенид галия потенциал, и заряжаем электроны, находящиеся внизу (в валентной зоне). Электроны начинают приобретать энергию достаточную для того, чтобы преодолеть запрещённую зону и попасть в зону проводимости (наверх). При этом зона проводимости у арсенида галия состоит из двух долин. Нижняя долина имеет более крутые склоны. Верхняя долина более высокоэнергетиченая более пологая.
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.
Это приводит к тому, что при решении уравнений (Пуассона), не смотря на то, что поле пропорционально -кос. За счёт ОДП изменение скорости дрейфа становится пропорциональна кос+. Это значит, что в частях (рисунок) скорость дрейфа больше средней.
т.о. можно говорить о том, что электроны, находящиеся здесь (рисунок) за счёт большей скорости дрейфа, ускоряются.
А в области справа за счёт снижения скорости дрейфа отстают. Это приводит к тому, что электронная стараются попасть из областей, где их мало в области, где их много и так.
Таким образом амплитуда колебаний концентрации начинает расти и получается усиление
Т.е. за счёт того, что электроны слева направо из областей движутся. В области, где их и так было много становится их ещё больше, где мало становится ещё меньше. т.о. Получаем усиление колебания.
Если понимать этот принцип работы, то можно было б сказать, что это же очень хорошо?! 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!
ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИИ НА КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ!!!
Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. Главной вынуждающей силой диффузии это градиент концентрации. Т.е. если градиента концентрации нет диффундировать ничего никуда не будет. С точки зрения диффузионных процессов электроны-те же самые частицы. И если существует градиент концентраций, то будет возникать и диффузионный ток. Т.е. будет происходить диффузия электронов их области, где их в принципе много в область, где их мало. При этом диффузионный ток не зависит от того какое у нас электрическое поле. (тут нет связи)
Зачастую ДИФФУЗИю можно подавить за счёт Эл поля или другого процессе, потому что она будет настолько слабой, что на фоне других процессов она не видна. Однако градиент концентрации можно работать не всегда??? Если мы обращаемся к картинке нарисованной на слайде.
))))))))
ИЗ СЛАЙДА :
ГРАДИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ВОЛНЫ ПРИВОДИТ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ ДИФФУЗИИ НОСИТЕЛЕЙ-ДИФФУЗИОННОМУ ТОКУ. ДИФФУЗИОННЫЙ ТОК ВСЕГДА НАПРАВЛЕН ИЗ ОБЛАСТИ С БОЛЬШОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ В ОБЛАСТЬ С МАЛЕНЬКОЙ. ЭТО ПРИВОДИТ К ЗАПРЕЩЕНИЮ ВОЛНЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА
Если у нас есть диффузия и она работает в рамках градиента концентрации, то каким бы большим полем мы не воздействовали на поток электронов (Т.Е. дрейфовый ток очень большой,) диффузионный ток все равно будет сохраняться. Но иногда на фоне дрейфового тока ДИФФУЗИОННЫЙ ток может быть не заметен. Но он присутствует всегда. Если говорить о волне пространственного заряда, которая по своей сути и является просто потоком электронов с изменённой концентрацией, то это будет приводить к тому, что электроны не смотря на то что дрейфовый ток у него промодулирован в соответствии с предыдущими графики, ДИФФУЗИОННЫЙ ток все равно всегда будет пытаться стянуть электроны из области где их много в низ (это и есть диффузия)
Т.е. если говорить о волне пространственного заряда, то диффузионный ток приводит к возникновению затухания. Т.е. процессу обратного усилению. При этом важно, что эти два процесса (затухания, усиления) они конкурирующие, кто сильнее (сильнее диффузионная составляющая процессе перераспределения электронов или дрейфовая составляющая). Если будет сильнее диффузионная, то будет видеть затухание, если сильнее дрейфовая, то будет видеть усиление. Если они одинаковые, то мы ничего не видим. Волна будет проходить по структуре не усиливались и не затухая. Сколько мощности подали на вход столько мощности на выходе и видим.
(ЕСЛИ У НАС НЕ пленки АРСЕНИД ГАЛИЯ то усиления? Ничего не получится. Т е будет затухание и за счёт дрейфа и за счёт диффузии. Волна будет затухать и до выхода может и не дойти. А в гаас удается добиться процессы усиления, за счёт отрицательной дифф подвижность и за счёт дрейфовый составляющей. процессы перераспределения конкурируются с затуханием за счёт диффузии.)
ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ (тут объяснение для арсенида галия)
Если рассматривать усиления за счёт Отриц диффподвиж.
Рассмотрим случай, когда частота практически равна 0. При этом наблюдаем т.к. частота очень маленькая то соответственно длина волны очень большая, а раз она большая то на протяжении всей пленки, концентрации носителей заряда не меняется почти, а раз так-то нет изменения электрического поля, а раз так изменений скорости дрейфа тоже нет и т.о. перераспределение электронов в потоке практически не происходит. Просто, потому что у нас нет никакого градиента концентрации, поэтому диффузия не происходит.
По мере роста частоты усиление начинает расти, по причине того, что изменение концентрации возникает, изменение поля появляется достаточно сильное чтобы перераспределение зарядов за счёт дрейфа электронов из области, где их мало в области, где их много начал возникать. Чем больше частота (чем короче длина волны), тем эффективнее это происходит. Просто, потому что больше максимумы и минимумы. Но при этом с ростом частоты начинает расти и градиент концентрации электронов между областью, где их много и где их мало.
Т.о. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ начинает потихоньку подавляться коэффициентом затухания, связанным с диффузией.
АЧХ из-за этого амплитудно-частотная характеристика сначала начинает расти пока ДИФФУЗИОННЫе
процессы не сказывается на ней. Потом плавно начнет отклоняться от "линейного" роста. После того как диффузия начинает играть значительную роль в перераспределении электронов, начинает происходить подавление коэффициента усиления-затухание Т.е. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ начинает падать. Диффузия начинает сильно мешает процессу нарастания амплитуды. Это происходит до момента возникновения критической частота, после которой диффузионная составляющая процессе перераспределения становится сильнее, по сравнению с составляющей связанной с дрейфом электронов. т.о. если мы добирается до этой критической частота, то КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ превращается по сути в КОЭФФИЦИЕНТ затухания и волна начинает затухать. Даже в гаас в котором есть Отрицдиффподвиж.
Сложный способ
Слайд: вывод дисперсионного уравнения-сложная задача, требующая совместного решения система уравнений Максвелла, материального уравнения для выбранной среда, учёта геометрии волноведущей структуры, определения граничных условий.
В основе работы большинства волновых приборах (работающих на бегущих волнах) лежит дисперсионная характеристика. Чаще всего дисперсией для микроволновой электроники назвают законы или формулу связывающую между собой частоту и волновое число или частоту и постоянную распространения (принципиально одно и то же что волн число).
Как вариант записи дисперсионного уравнения. Некая функция связывающая амега и гамма. Амегачастота, гамма-постоянная распространения. И они равны 0. Зная закон дисперсии, большинство рабочих характеристик приборов можно посчитать. Записываем уравнение, описывающее волновой процесс.
Это амплитуда*експ^гамма*р. Гамма-постоянная распространения. Дальше если гамму предоставим как комплексную число постоянной амплитудной и фазовой Альфа и бетта. То можно поделить уравнение на 2 экспоненты и получим что у нас есть фчх (постоянная фазовая на расстояние пройденное бетта (зависит от амега)*р) и АЧХ (амплитудная постоянная (зависит от амега на расстояние и это показатель эксп). Можно посчитать групповую скорость и время задержки взяв производную. Дбетта/дамега.
Т.е. зная закон дисперсии можно выразить гамму от амега и посчитать ачх, фчх, групповую скорость. Если говорить о УБВ разбираемся только с ачх. Те какой коэффициент усиления или ослабления у прибора на данной частоте или диапазоне.
ДИСПЕРСИОННОЕ УРАВНЕНИЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ПП
Релаксационная частота — это величина обратно пропорциональная времени, в течение которого амплитуда колебаний затухает в е раз. Частота это просто 1/тау, где тау -время затухания сигнала в е раз. Для каждого типа волны релаксационная частота рассчитывается по-своему. На слайде это сигма(проводимость)/диэлектрической ПРОНИЦАЕМОСТЬ П/П. Сигма это qnµ, где n это концентрация носителей заряда, µ-подвижность этих зарядов. По сути, релаксационная частота — это характеристика того с какой скоростью затухают колебания.
Дельта - параметр, учитывающий асимметрию структуры убв.
(В нижней формуле не гамма, а фигня на е похожая). Это поперечное волновое число, т.е. т.к. структура имеет некоторую толщину (пленка п/п-ая), то в ней реализуется некоторое распределение электрического потенциала и это распределение характеризуется поперечным волновым числом.
Также введено 2 обозначения: беттар и беттае по размерности соответствуют фазовой постоянной.
Чтобы понять, как распространяются волны имея в виду такое ДИСПЕРСИОННОЕ УРАВНЕНИЕ. Надо вывести как гамма зависит от амега попытаться найти как запись альфа, бетта от амега. Как зависят постоянная распространения, амплитудная и фазовая от частоты. По сути, решаем уравнение
Коэффициент анизотропии.