Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы, устройства и методы функциональной электроники. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
Содержание
А. О. КАСЬЯНОВ
ПРИБОРЫ, УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2021
1
Содержание
2
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.845я73
К289
Печатается по решению кафедры радиотехнических
и телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем
и управления Южного федерального университета
(протокол № 11 от 14 апреля 2021 г.)
Рецензенты:
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиоэлектроники
Донского государственного технического университета А. В. Елисеев
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатики
и информационных таможенных технологий Ростовского филиала
Российской таможенной академии П. Н. Башлы
Касьянов, А. О.
К289 Приборы, устройства и методы функциональной электроники : учеб-
ное пособие / А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 123 с.
ISBN 978-5-9275-3987-1
Излагаются физические основы описания электромагнитных явлений, происходящих в материалах в сверхпроводящем состоянии. Описаны радиофизические измерительные устройства, построенные на эффектах, связанных со сверхпроводимостью.В учебном пособии также рассматриваются элементы физики ЦМД, а именно:
дается понятие о доменной границе, рассматриваются возникновение и устойчивость
цилиндрических магнитных доменов, критические поля и динамика ЦМД, магнитостатические колебания в ЦМД.И, наконец, в настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы экспериментального исследования характеристик твердотельных
фильтров СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах. Большинство вопросов,
подробно рассмотренных в данном пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались и освещались лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые были практически недоступны студентам.
Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисциплинарный
характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам «Электроника» и
«Специальные радиоэлектронные устройства».
Пособие предназначено для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки 11.05.02 «Инфокоммуникационные технологии».
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.845я73
ISBN 978-5-9275-3987-1
© Южный федеральный университет, 2021
© Касьянов А. О., 2021
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2021
Содержание
3
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ …...
5
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………..
6
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В СВЕРХПРОВОДНИКАХ ……………………………………………
8
1.1. Понятие о сверхпроводимости ………………………………….
8
1.2. Бозон ………………………………………………………………
8
1.3. Ток сверхпроводимости …………………………………………
9
1.4. Элементы квантовой механики. Уравнение Шредингера ……..
10
1.4.1. Корпускулярно волновой дуализм ……………………………….
10
1.4.2. Уравнение Шредингера. Физический смысл волновой функции
12
1.5. Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце ...
14
1.6. Сверхпроводящий туннельный ток и эффекты Джозефсона …
17
1.7. Макроскопическая квантовая интерференция …………………
23
1.8. Сквид постоянного тока (ПТ-сквид) ……………………………
24
1.9. Высокочастотный сквид (ВЧ-сквид) ……………………………
27
1.10. Способы увеличения чувствительности сквидов …………….
33
1.11. Трансформатор потока …………………………………………
33
1.12. Сравнительная характеристика ПТ- и ВЧ-сквидов …………..
36
Выводы ………………………………………………………………...
38
2. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
МАГНИТНЫХ ДОМЕНОВ ……………………………………………
39
2.1. Магнитные материалы …………………………………………...
39
2.1.1. Понятие о ЦМД в тонких магнитных пленках ……………...
39
2.1.2. Доменная структура ……………………………………………...
40
2.1.3. Междоменные границы …………………………………………..
40
2.2. Цилиндрические магнитные домены …………………………...
42
2.2.1. Магнитные материалы с ЦМД …………………………………
42
2.2.2. Возникновение ЦМД ……………………………………………….
43
2.2.3. Уединенный ЦМД ………………………………………………….
45
2.2.4. Динамика цилиндрического магнитного домена ……………
54
2.2.5. Наблюдение и регистрация ЦМД ………………………………
56
Содержание
4
2.3. Магнитостатические колебания в ЦМД ………………………..
57
2.3.1. Постановка задачи ………………………………………………..
57
2.3.2. Уравнение движения намагниченности ………………………
58
2.3.3. Уравнение Эйлера ………………………………………………….
60
2.3.4. Спектр собственных магнитостатических колебаний в ЦМД
64
Выводы ………………………………………………………………...
65
3. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ СВЧ НА
ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ …….
67
3.1. Общие сведения о твердотельных устройствах функциональной электроники ………………………………………………………
67
3.2. Полосно-заграждающий фильтр СВЧ на ПМСВ ………………
69
3.2.1. Общие сведения …………………………………………………….
69
3.2.2. Конструкция и принцип работы твердотельного полоснозаграждающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ ………….
69
3.2.3. Экспериментальное исследование характеристик полосно-заграждающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ ……...
71
3.2.4. Методика экспериментального определения добротности фильтра ………………………………………………………………
81
3.3. Полосно-пропускающий фильтр СВЧ на ПМСВ ……………...
83
3.3.1. Конструкция и принцип работы твердотельного полоснопропускающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ …………..
83
3.3.2. Экспериментальное исследование характеристик полосно-пропускающего фильтра СВЧ на поверхностной МСВ ……….
85
Выводы ………………………………………………………………...
89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………
90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………..
92
ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………...
95
Содержание
5
СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
АРМ – автоматическая регулировка мощности
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВЧ – высокочастотный
ГВЧ – генератор высокой частоты
ГГГ – галлий-гадолиниевый гранат
ГКЧ – генератор качающейся частоты
ДГ – доменная граница
ЖИГ – железоиттриевый гранат
ЗРВ – закон распределения плотности вероятности
КСВ – коэффициент стоячей волны
КСВН – коэффициент стоячей волны по напряженности
МПЛ – микрополосковая линия передачи
МСВ – магнитостатическая волна
МСК – магнитостатические колебания
ОС – обратная связь
ПЗФ – полосно-заграждающий фильтр
ПМСВ – поверхностная магнитостатическая волна
ПОМСВ – прямая объемная магнитостатическая волна
ППФ – полосно-пропускающий фильтр
ППЭ – поверхностная плотность энергии
ПТ – постоянный ток
РЭА – радиоэлектронная аппаратура
СВЧ – сверхвысокие частоты
СКВИД – сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик
СКО – среднеквадратическое отклонение
УНЧ – усилитель низкой частоты
ФР – ферритовый резонатор
ФФ – ферритовый фильтр
ЦМД – цилиндрический магнитный домен
ЦСК – цилиндрическая система координат
Ц-сквид – сквид Циммермана
ЭМ – электромагнитный
ЭМП – электромагнитное поле
Содержание
6
ВВЕДЕНИЕ
Функциональная электроника представляет собой направление
электроники, использующее физические явления, позволяющие с помощью достаточно простых («неразборных») структур осуществлять функции, обычно реализуемые с помощью сложного многоэлементного узла.
При этом в приборах и устройствах функциональной электроники обработка сигналов (усиление, хранение или преобразование) основывается на
движении физических носителей информации в активной среде с динамически изменяемыми параметрами. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены (ЦМД),
пакеты волн различной природы.
Отличительной особенностью приборов и устройств функциональ-
ной электроники осостоит в том, что основным структурным элементом
функциональной электроники является активная среда, способная накапливать и обрабатывать сравнительно большой объем информации.
В результате с помощью функциональной электроники удается реа-
лизовать весьма перспективный подход к созданию радиоэлектронной аппаратуры, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры
без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному
объему твердого тела придают такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой
функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется.
Ранее в учебных пособиях [1, 8] рассматривались такие направле-
ния функциональной электроники, как акустоэлектроника и магнитоэлектроника. Помимо упомянутых выше направлений функциональной электроники, весьма перспективными являются такие, как электронные приборы, в основу работы которых положено применение электромагнитных
явлений в сверхпроводниках, а также приборы на цилиндрических магнитных доменах. При этом несомненный интерес представляет изучение
вопросов практического исследования свойств таких устройств функциональной электроники, которые нашли достаточно широкое применение в
инженерной практике. Примером таких устройств являются твердотельные фильтры. В данном учебном пособии продолжено начатое в [8] изу-
Введение
7
чение практических аспектов функционирования и применения твердотельных фильтров. Однако если ранее рассматривались фильтры на основе сферических ферритовых резонаторов, то в настоящем учебном пособии изучаются ферритовые фильтры на основе поверхностных магнитостатических волн (МСВ).
В настоящем учебном пособии рассматриваются такие теоретиче-
ские и практические аспекты функциональной электроники, как электромагнитные явления в сверхпроводниках (разд. 1), физика цилидрических
магнитных доменов (разд. 2), а также твердотельные фильтры СВЧ на поверхностных МСВ (разд. 3), являющихся одними из самых перспективных
направлений функциональной электроники. Особое внимание данного
учебного пособия к изучению приборов, устройств и методов функциональной электроники также вызвано тем, что это перспективное направление электроники ранее в учебной литературе практически не освещалось.
Пособие состоит из трех разделов. В разд. 1 рассматриваются элек-
тромагнитные явления в сверхпроводниках, в разд. 2 – элементы физики
цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), в разд. 3 – твердотельные
фильтры СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ),
применяемые для первичной обработки СВЧ-сигналов [2].
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
8
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В СВЕРХПРОВОДНИКАХ
1.1. Понятие о сверхпроводимости
Сверхпроводимость – состояние вещества, для которого характерно
отсутствие сопротивления электрическому току и магнитного поля в толще сверхпроводника.
Сверхпроводимость возникает при уменьшении температуры ниже
определенного для каждого материала значения, называемого температурой сверхпроводящего перехода или критической температурой TK. До
недавнего времени, из всех известных сверхпроводников, максимальным
значением
KT
K
2,23
обладало соединение
Ne Co
3
. В 1986 г. было от-
крыто явление высокотемпературной проводимости у керамических материалов. В образцах керамики, полученных в ряде стран, сверхпроводящее состояние возникает при температурах 90100 К. Особо ценным
является то обстоятельство, что эти соединения являются сверхпроводящими при температуре жидкого азота (T = 77 К).
Сверхпроводимость представляет собой явление, в котором кванто-
вомеханические эффекты обнаруживаются не в микроскопическом, а в
крупных, макроскопических масштабах. Разгадка сверхпроводимости заключается в том, что электроны в металле, кроме кулоновского отталкивания, испытывают особый вид взаимного притяжения, которое в сверхпроводящем состоянии преобладает над отталкиванием. В результате электроны проводимости объединяются в так называемые куперовские пары. Элек-
троны, входящие в такую пару, имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин пары равен нулю. Такая пара представляет собой бозон.
1.2. Бозон
В учебном пособии цикла, посвященного изучению приборов и ме-
тодов функциональной микроэлектроники [1], автором указано, что колебания кристаллической решетки твердого тела можно представить как
фононный газ, заключенный в пределах образца кристалла, подобно тому,
1.3. Ток сверхпроводимости
9
как электромагнитное излучение можно представить как фотонный газ,
заполняющий полость. Формально оба представления весьма схожи – и
фотоны, и фононы подчиняются одной и той же статистике:
1
1
/
−
=
kTh
i
i
e
n
, (1.1)
где
n
i
– среднее число фононов частоты
i
в единице объема в случае
теплового равновесия, kB = 1,3810
-23
Дж/K – постоянная Больцмана; Т –
абсолютная температура фононного газа;
=
h
2
– постоянная Дирака,
где h = 6,6210
-34
Джс – постоянная Планка.
Распределение (1.1) представляет собой частный случай распреде-
ления Бозе-Эйнштейна, которому, как показано в прил. 1, подчиняются
частицы, обладающие целочисленным (в частности, нулевым) спином.
Эти частицы называются бозонами. Таким образом, и фотоны, и фононы
являются бозонами. К числу бозонов принадлежат все частицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Длябозонов характерно то, что
вероятность (P) возникновения ("рождения") бозона в состоянии, в котором уже имеется n частиц, пропорциональна корню из n:
P n~
. (1.2)
Таким образом, бозоны "любят" накапливаться в одном состоя-
нии – они являются "коллективистами". Это означает, что бозоны имеют
тенденцию к тем большему заполнению своего состояния, чем больше
оно заполнено, т.е. в системе бозонов имеет место Бозе-конденсация. Итак,
объединение электронов (фермионов) в куперовские пары означает появление новых частиц (бозонов) с суммарным спином, равным нулю. Куперовские пары, придя в согласованное движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго (Бозе-конденсация). Такое согласованное движение пар и есть ток сверхпроводимости.
1.3. Ток сверхпроводимости
Поясним сказанное более подробно. Электрон, движущийся в металле, деформирует (поляризует) состоящую из положительных ионов кристаллическую решетку. В результате этой деформации электрон оказывает-
1. Электромагнитные явления в сверхпроводниках
10
ся окруженным "облаком" положительного заряда, перемещающимся по
решетке вместе с электроном. Электрон и окружающее его облако представляют собой положительно заряженную систему, к которой будет притягиваться другой электрон. Таким образом, ионная решетка играет роль
промежуточной фазы, наличие которой приводит к притяжению между
электронами. На квантовомеханическом языке притяжение между электронами объясняется как результат обмена между электронами квантами воз-
буждения решетки – фононами. Взаимодействие, обусловленное обменом
фононами, наиболее сильно проявляется у электронов, обладающих противоположными импульсами и спинами. В результате два таких электрона
объединяются в куперовскую пару. Эту пару не следует представлять себе
как два слипшихся электрона. Напротив, расстояние между электронами
пары весьма велико, оно составляет примерно 10
–4
см, т.е. на четыре поряд-
ка превышает межатомные расстояния в кристалле. Для разрушения пар
необходимо затратить энергию связи 2Δ (в расчете на один электрон Δ).
В электрическом поле куперовские пары будут ускоряться, т.е. получат импульс, причем для всех пар одинаковый. Куперовские пары не
могут отдавать энергию решетке до тех пор, пока сообщенная электронам
энергия меньше энергии связи (иначе пара перешла бы в другое состояние, что исключается). Это означает беспрепятственный перенос заряда
сквозь кристаллическую решетку (без сопротивления).
1.4. Элементы квантовой механики. Уравнение Шредингера
1.4.1. Корпускулярно волновой дуализм
Из курса общей физики известно [3], что вещество состоит из молекул и атомов. В зависимости от характера и силы взаимодействия между атомами и молекулами вещество пребывает в одном из агрегатных состояний − газообразном, жидком или твердом. Радиоэлектроника имеет
дело со всеми этими состояниями, и мы рассмотрим их (за исключением
жидкости) в порядке нарастания степени взаимодействия между частицами. Начнем с изолированного атома.
Общепризнанным является то, что веществу, и полю в равной степени присуща двойственная природа. С одной стороны, переменное элек-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]