Реферати українською » Наука и техника » Негатроника. Історичний огляд


Реферат Негатроника. Історичний огляд

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Микола Филинюк

Нині у сфері електроніки розвивається ряд наукових напрямів: квантова електроніка, оптоелектроніка, акустоэлектроника, хемотроника, магнитоэлектроника, криоэлектроника та інших. За останнє десятиліття сформувалося ще один певний напрямок – «Негатроника» [1...3]. Цей напрям своєї електроніки пов'язане з теорією та практикою від створення застосування негатронов – електронних приладів, що мають у певному режимі негативного значення основного диференціального параметра (негативних активного опору, ємності і індуктивності) [4]. Нині розроблено різні види негатронов, узагальнена класифікація яких представлена на мал.1. Тільки напівпровідникових негатронов створено понад двох десятків різновидів (мал.2). У тому числі найпотужніші надвисокочастотні (НВЧ) прилади – лавинно-пролетные діоди, самі швидкодіючі ключі на лавинних транзисторах, найпотужніші токовые напівпровідникові перемикачі на динисторах і тиристорах. Проте розвитку цього напрями проходило нерівномірний і, на відміну класичної транзисторної електроніки, довгий час не мало систематизованої методологічної і теоретичної бази. І лише 1985 року [1] дали формулювання цього наукового напрями. Метою згаданої статті є намагання коротко розглянути історію розвитку «Негатроники».

Рис. 1. Узагальнена класифікація негатронов

Порушення електричних коливань з допомогою негативних импедансов ще початку і пов'язані з відкриттям Дудделем [5] «Звучащей електричної дуги». У результаті незручності практичного використання електричної дуги в схемах генераторів у неї витіснена що з'явилися ламповыми генераторами.

Перші електронні лампи, внаслідок недосконалості техніки отримання глибокого вакууму, були газонаполненными, і їх вольт-амперних характеристиках спостерігалися падаючі ділянки. Цими ділянках речовинний імпеданс між анодом і катодом газонаполненной лампи є негативним [6], що у принципі дозволяло використовувати цю їх властивість для побудови генераторів і підсилювачів електричних коливань. Проте їх великі шуми й соціальна нестабільність призвели до незначного інтересу до них, як до приладам, які мають негативним опором.

Рис. 2. Класифікація напівпровідникових негатронов

Винахід в 1924 року электровакуумного тетрода поставило фахівцям проблему «динатронного ефекту», у результаті якого на вихідний вольт-амперной характеристиці тетрода спостерігається падаючий ділянку, що призводить до зростання нелінійних спотворень і самовозбуждению підсилювача. Цей ефект не знайшов практичного застосування і він подолано в 1931г. введенням у електронної лампі третьої антидинатронной сітки.

Відкриття падаючого ділянки на в.а.х. напівпровідникового точечної діода, зроблене 13 січня 1922 року інженером Нижегородської лабораторії О.В.Лосевым, можна вважати початком розвитку напівпровідникової негатроники [7]. Молодий учений як уперше отримав на в.а.х. діода падаючий ділянку, а й реалізовував з допомогою такого діода регенеративный приймач – кристадин. Ці результати привернули увагу багатьох фахівців світу. У журнал "Radio News" помістив в вересневому номері редакційну статтю за заголовком «Сенсаційне винахід». Там було написано: «Немає потреби доводити, що це – революційне радио-изобретение. Незабаром мова йтиме схему із трьома чи шістьма кристалами, як говоримо тепер схемою із трьома чи шістьма усилительными лампами. Буде потрібна кілька років на здобуття права генеруючий кристал удосконалився настільки, щоб стати краще вакуумної лампи, але тоді ми передбачаємо, що час настане». У цьому вся пророкуванні зазнали краху лише терміни. Саме це перші роботи О.В.Лосева можна вважати початком «Ери» напівпровідникової електроніки.

Електронні прилади з падаючим ділянкою на в.а.х. надалі отримали найменування «негатроны» [9].

Успішне розвиток электронно-вакуумных приладів відвернуло увагу переважно фахівців від надання цього напрями. Хоча, внаслідок розвитку електронних ламп і підвищення робочих частот, у яких виявлялися ефекти, пов'язані з негативним опором. Це зумовлювало неконтрольованого порушення електронної апаратури та зростання нелінійних спотворень, і тому розглядалося як паразитное явище. І тільки винахід 1932 р. Д.А.Рожанским і А.Н.Арсеньевой пролетного клистрона, а 1936...37гг. Н.Ф.Алексеевым і Д.Е.Маляровым – многорезонаторного магнетрону, стало подальшим поштовхом розвитку вакуумної негатроники. У цих приладах, і потім в винайдених лампах біжучому (ЛБВ) і зворотної хвилі (ЛОВ), внаслідок взаємодії електронів з електромагнітними полями, відбувається перетворення кінетичною енергії електронів в енергію електромагнітного поля як наслідок, до появи негативного опору [10]. Значний внесок у створення таких приладів належить Н.Д.Девяткову, М.С.Нейману, С.Д.Гвоздоверу, В.Ф.Коваленко, М.Т.Греховой, Ю.А.Кацману, С.А.Зусманову, И.В.Лебедеву та інших.

Освоєння НВЧ діапазону призвело до пошуку нових фізичних ефектів і напівпровідникових приладів, які мають негативним опором. Зусилля передусім були спрямовані створення напівпровідникових негатронов, які мають негативним опором як і більш високих частотах в сверхвысокочастотном діапазоні. Початком пошуку шляхів створення таких СВЧ-приборов було покладено статтею Шоклі, що у 1954 року [11]. Автор обговорює ідею двухэлектродного приладу з негативним опором, які виникають завдяки ефекту часу прольоту. Як першого прикладу він розглядає «діод із неосновних носіїв». У запропонованій їм p+-n-p чи (n+-p-n)-структуре, неосновні носії, инжектируемые з p+-n переходу, дрейфують до іншого p-n переходу, зазнаючи у своїй затримку, рівну часу прольоту. Інший прилад, запропонований Шоклі, є p-n-p структуру, що використовується як проколу, щоб забезпечити її униполярность. Ці дві структури надзвичайно нагадують що з'явилися пізніше инжекционно-пролетные діоди (ИПД).

На тому статті Шоклі обговорює можливість створення двухэлектродного приладу, це просто однорідний напівпровідник, у якому під впливом сильного електричного поля можуть спостерігатися відхилення від ухвалення закону Ома, що призводять до виникнення негативного диференціального опору. Відхилення від ухвалення закону Ома виявляється у зниженні швидкості носіїв зі збільшенням напруженості поля, тобто. у появі області негативною диференціальної рухливості. Проте практичної реалізації ця ідея не отримала через низку теоретичних недоробок. І лише 1963г. Ганном отримано перші експериментальні дані про існування прогонних коливань, пов'язаних із цим властивістю, в GaAs і InP [12]. А прилади, використовують цей ефект, отримали найменування «Диоды Ганна» чи «прилади на ефект об'ємного негативного опору».

Цікавий двухэлектродный прилад з негативним опором, діючий на новому принципі – тунельний діод, було відкрито 1957г. японським фізиком Есакі [13]. На прямий галузі в.а.х. дуже вузького германієвого p-n-перехода (тобто. переходу, створеного на сильнолегированном матеріалі) виявили ділянку негативного опору кінцевої величини. Така характеристика виходить внаслідок польовий емісії (тунелювання) електронів через вузький збіднений шар. Слід зазначити, що тунельний діод не виправдав очікувань, бо від нього не було удалося одержати великий вихідний потужності.

У 1958г. Рід [14] запропонував використовуватиме генерації НВЧ потужності діод зі складною n±p-p структурою. У цьому вся приладі використовується поєднання ефектів лавинного множення, заснованого на ударної іонізації, і часу прольоту електронів. Тому прилад було названо IMPATT-диод (Impact Avalanche and Transit Time). Проте ним запропонована спеціальна конструкція діода виявилася дуже складним, її удалося втілити у життя лише у 1964 р.

У ці прилади отримали найменування «лавинно-пролетные діоди» (ЛПД) і було відкриті А.С.Тагером і його працівниками в 1959г. [15]. У світі перше повідомлення про практичної реалізації ЛПД було опубліковано в 1965 року [16].

Подальшим розвитком ЛПД є ТРАПАТТ-диод (Траpped Plasma Avalanche-and-Transit Time, що означає «лавинно-пролетный діод із захопленням плазми»). Задля реалізації ТРАПАТТ-режима, відкритого в 1966г. [17], необхідно дуже складна взаємодія між приладдям і НВЧ схемою. Наприклад ТРАПАТТ-усилитель вимагає настройки по гармоникам і субгармоникам, і навіть використання ЛПД-режима для запуску. Попри складність самого приладу та відповідній схеми, ТРАПАТТ-диоды грають провідної ролі в фазированных антенних ґратах (ФАР), оскільки забезпечують можливість отримання високої імпульсної потужності на НВЧ (>100 Вт), більшого коефіцієнта заповнення (1...20%), високого к.п.д. (>25%) і ширини смуги пропускання в підсилювачах щонайменше 15%. Проте з цією приладам властиві й певні недоліки:

процесу ударної іонізації властиві значні шуми, тому підсилювачі і генератори з їхньої основі будуть також мати великі шуми;

процес ударної іонізації вимагає більшої потужності щоб одержати значних електричних полів.

У 1971г. уперше було отримана генерація в НВЧ діапазоні з допомогою инжекционно-пролетных діодів (ИПД) [18], теоретичні основи роботи якого було обгрунтовані ще 1954 року Шоклі [11]. У багатьох публікацій ці діоди отримали найменування «БАРИТТ-диоды» (Barrier Injection Transit Time Diodes). Маючи, як і ЛПД, динамічним негативним опором буде в діапазоні НВЧ, у яких немає режим лавинного множення носіїв і, отже, відсутні недоліки, властиві ЛПД.

Усе вище розглянуті діоди з негативним опором призначені до роботи на діапазоні НВЧ і здатні працювати у відносно невеликих значеннях потужності сигналу та створення робочих токах.

На низьких частотах велике торгівлі поширення набули четырехслойные напівпровідникові структури типу p-n-p-n та його різні модифікації, які мають негативним опором [19]. У основі їхніх роботи лежить тиристорный ефект, обумовлений лавинним множенням носіїв у закритому середньому p-n переході. Найбільшого застосування отримали двухэлектродные p-n-p-n (динисторы) і трехэлектродные (тиристоры) структури. З іншого боку відомі тиристоры з міським управлінням з двох вхідним ланцюгах (тетристоры) і тиристоры з чутливим і чутливим електродом. Найбільш систематичні дослідження таких тиристорных негатронов проведено С.А.Гаряиновым і Н.Д.Абергаузом. Ці прилади можуть працювати у усилительном, генераторному і ключовому режимах. Їх характерна велика економічність з харчування під час роботи в ключовому режимі, здатність коммутировать сигнали великої потужності. Отже, теоретично є багатофункціональними приладами, з допомогою яких можна проводити широку уніфікацію радіоелектронних пристроїв. Проте практична область їх застосування обмежується переважно пристроями імпульсної техніки, що поруч притаманних них недоліків. До них належать: низька температурна стабільність, підвищена нестійкість коефіцієнта перетворення пристроїв зміну негативного опору, низька економічність з харчування під час роботи в лінійному режимі, високі котрі живлять напруження і малий частотний діапазон.

Дослідження ефекту лавинного множення в коллекторном переході біполярного транзистора створило лавинного транзистора, на в.а.х. якого є ділянку негативного опору [20]. Теоретичні дослідження таких негатронов і імпульсних пристроїв з їхньої основі, проведені В.П.Дьяконовым [21], показали можливість формування імпульсів з часом наростання 0,1...1нс і амплітудою до 15В і більше на опір навантаження в 750Ом. Деякі транзистори дозволяють при меншою амплітудою генерувати імпульси із частотою повторення до 1ГГц, інші, при значно менших частотах повторення, здатні формувати імпульси з амплітудою за напругою до 100В на навантаженні 50Ом чи імпульси з амплітудою по току до 50А на опір навантаження в 0,5...1Ом. Наявність між эмиттером і колектором лавинного транзистора індуктивного импеданса із від'ємною речовинної складової стало передумовою використання як высокодобротного напівпровідникового аналога індуктивності [22]. Проте великі шуми таких негатронов, зумовлені лавинним ефектом, і низька температурна стабільність зробили застосування лавинних транзисторів у ролі безперспективним.

Технологічні методи створення планарных напівпровідникових приладів досягли високого досконалості. Тому негатроны на p-n переходах може бути відносно високій надійністю і воспроизводимостью. Однак процес їх виготовлення трудомісткий, адже потребує проведення від двох чотирьох високотемпературних процесів окислення і дифузії, і одержувачів відповідного кількості процесів фотолитографии. З цього погляду найцікавіше аморфні і полікристалічні напівпровідникові плівки, у яких поруч із ОС (негативним опором) є і переключення з пам'яттю. При додатку до плівці певного порогового напруги, вона стрибком перетворюється на низкоомное стан і зберігає його навіть тоді відключення харчування. Перше повідомлення 1969 р. нагляд ОС в стеклообразных напівпровідниках дало поштовх до створення різних негатронов з урахуванням халькогенидных матеріалів [23]. Проте досі фізичні механізми виникнення ОС в напівпровідниках остаточно не вивчені. Дослідження у цьому напрямі активно досліджують Азербайджанської наукову школу під керівництвом професора Ф.Д.Касимова [24], де у 1991 року було проведена перша Всесоюзна науково-технічна конференція по негатронике [2].

Спільним істотним недоліком всіх вище розглянутих напівпровідникових негатронов є залежність їх негативного опору від фізичних властивостей напівпровідникових кристалів і фізичних процесів у яких. А прагнення реалізувати 100% внутрішню позитивну зворотний зв'язок всередині кристала накладає жорсткі вимоги до технології виготовлення таких негатронов, утрудняє виробництво ідентичних приладів та подальше їх застосування. Ці недоліки під час створення транзисторних негатронов були частково подолані шляхом реалізації комбінованої 100% позитивним зворотним зв'язку: частково внутрішньої, з допомогою тимчасової затримки неосновних носіїв у базі транзистора; частково, з допомогою запровадження ланцюга зовнішньої зворотний зв'язок. Початком цього напряму, певне, можна вважати 1956г., коли Ямагучи (J.Jamaguchi) досліджував негатрон на транзисторі із загальним колектором і індуктивної ланцюгом зворотний зв'язок між базою і колектором [25]. Надалі досліджувалося різні модифікації такого негатрона, який отримав найменування «індуктивний транзистор», т. до. що вона перспективним як напівпровідникового аналога індуктивності. Слід зазначити успішне застосування цього негатрона у різних аналогових НВЧ пристроях (активних фільтрах, генераторах, преобразователях частоти, мультиплексорах, активних антенах та інших.). Основи проектування таких пристроїв було закладено на роботах Дилла (Н.Dill) [22], Адамса і Хо (D.K.Adams, R.Y.С.Ho) [26] та інших. Систематизация подальший розвиток цього наукового напрями зроблено автор цієї статті у роботах [24, 27], де запропоновано розглядати транзистор як узагальнений перетворювач иммитанса, і обгрунтований фізичний механізм виникнення динамічного негативного опору з його клемах.

Іншим напрямом негатроники, спрямованим подолання недоліків однокристальных напівпровідникових негатронов, є створення аналогів негатронов з урахуванням різних схемотехнических комбінацій активних приладів. Певне, однією з перших робіт у цьому напрямі можна вважати монографію С.А.Гаряинова і И.Д.Абергауза [19], опублікованій у 1966г. Подальший розвиток цей напрям отримала широковідомих роботах Х.Стедлера [28], Л.Н.Степановой з співавторами [29], О.Н.Негоденко [30], Нильсона і Вільсона та інших. Розвинена на роботах тих авторів теорія синтезу аналогів статичних негатронов N- і S-типа дозволила створити багато різноманітних схемотехнических рішень для широкого класу як аналогових, і ключових електронних пристроїв різного функціонального призначення. Їх

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація