Главная >  Радитехнология низких температур 

1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

полупроводниковых соединении, показавшими, что в ряде таких соединений (GaAs, InAs, InSb) высокая электропроводимость сохраняется при очень низких температурах. Это прежде всего связано с очень малой эффективной массой носителей заряда перечисленных полупроводников и высокой их подвижностью. Весьма примечателен и тот факт, что использование низких температур позволяет, наконец, широко применять ценные свойства полупроводников с узкой запрещенной зоной, например полупроводника InSb, являющегося при комнатной температуре собственным полупроводником н почти не получившего применения в обычной радиоаппаратуре. Все это дает возможность создавать на базе охлажденного полупроводникового р-п перехода различные весьма ценные устройства: усилители, смесители, модуляторы, умножители, генераторы, транзисторные устройства, а также применять охлажденные p-i-n структуры и т. д.

Переход к низким температурам заставляет радиоинженера не только разрабатывать новые принципы конструирования и новые схемы элементов, узлов и систем, но и использовать взаимодействия квантов энергии в твердом теле при низких температурах. К таким взаимодействиям относятся поглощение или испускание квантов электромагнитного поля - фотонов, спин-спиновое, спин-фононное, фонон-фононное, эффекты увлечения электронов фононами, взаимодействие свободных носителей в полупроводнике с электромагнитным СВЧ полем и т. д.

Каждое из указанных взаимодействий проявляется при низких температурах столь интенсивно, что начинает играть решающую роль в формировании параметров радиоустройств. Отметим еще некоторые свойства веществ при низких температурах, представляющие, на наш взгляд, большой интерес. К ним относятся:

- изменения концентрации носителей и подвижности в примесных полупроводниках при изменении температуры;

- проявление различных релаксационных процессов в твердом теле, изменение времени спин-спиновой и спин-решеточной релаксаций;

- аномалии зависимости термо-э. д. с. ряда полупроводников от температуры при глубоком охлаждении;

- изменения вольтамперных характеристик полупроводников и возникновение областей статической и динамической отрицательной проводимости;

- проявление болометрических явлений, эффекта горячих носителей в полупроводниках;

- циклотронный и комбинированный резонансы;

- влияние магнитного поля на характеристики р-п перехода;

- возникновение спонтанного электрического диполь-ного момента в ряде диэлектриков и улучшение их свойства;

- аномалии свойств органических полупроводников.

Использование даже некоторых из перечисленных свойств при низких температурах дает возможность по-новому решить еще ряд проблем, стоящих перед радиотехникой, и в первую очередь позволяет:

- повысить чувствительность приемников не только диапазона дециметровых и сантиметровых волн, но и миллиметровых, субмиллиметровых и световых волн;

- создать эффективные когерентные генераторы и гетеродины непрерывного излучения коротковолновой части радиодиапазона и световых волн, а также стабильные экономичные полупроводниковые генераторы диапазона СВЧ;

- получить надежные и качественные системы СВЧ с электрическим управлением (например, перестраиваемые СВЧ фильтры, генераторы, усилители, модуляторы);

- создать высокодобротные малогабаритные резонаторы и малогабаритные многорезонаторные устройства с к. п. д., близким к единице;

- разработать микроминиатюрные надежные устройства двоичной информации с большим коэффициентом запоминания и малым потреблением электроэнергии, функционирующие при уровне охлаждения, пригодном для мобильных установок;

- создать унифицированную всеволновую приемную аппаратуру диапазона СВЧ со сменными узлами;

- получить микроминиатюрные надежные усилители, фильтры и другие устройства диапазона УКВ п СВЧ на основе испЬльзования упругих колебаний решетки пьезо-полупроводника (фопон-фопонпое взаимодействие) на частотах гиперзвука.



Последнее требует пояснения, так как работы но усилению коротких ультразвуковых и гиперзвуковых волн появились недавно и в них рассмотрены лишь основные аспекты этого нового направления. Однако анализ результатов, полученных в этих работах, дает основание полагать, что уже при температуре жидкого азота разработка устройств с перечисленными выше свойствами вполне реальна. Для этой цели можно такл<е использовать спин-фононное взаимодействие в ферритах.

Из приведенных кратких данных видно, что охлаждаемые устройства могут выполнять различные функции. Естественно поэтому, что кроме направления создания однофункциональных охлаждаемых устройств, например усилителей, возникло направление создания целых многофункциональных радиоэлектронных комплексов, размещенных в одном криостате. При этом одновременно решается одна из важнейших проблем, возникающих при конструировании современной аппаратуры с применением высокодобротных элементов, ферритов, полупроводников, - проблема термостабилизации. Дело в том, что температура кипения криогенных жидкостей при неизменном давлении в криостате от внешних условий практически не зависит, что обеспечивает достаточное постоянство температуры охлаждаемого радиоблока. Кроме того, существуют достаточно простые методы поддержания этой температуры с большой заданной точностью.

Однако несмотря на столь заманчивые перспективы, охлаждаемые радиоустройства, и тем более многофункциональные охлаждаемые бортовые и наземные системы, встречаются редко. Намечаются лишь попытки найти решение этих проблем, что, например, сделано Дж. Бре-мером для ЭВМ на сверхпроводящих элементах [6 гл. 1].

Из многофункциональных охлаждаемых радиоэлектронных систем, уже нашедших практическое применение, следует прежде всего выделить селективные высокочувствительные приемные системы СВЧ диапазона [14 гл. 4]. Поэтому комплексное рассмотрение вопросов радиотехники низких температур в данной книге проведено применительно к этим системам.

В общем случае приемные системы могут быть выполнены в виде герметичных блоков, размещенных

непосредственно у облучателя ангеины нлн представляющих единое целое с облучателем.

Одним из важнейших требований к таким системам является малый уровень собственных шумов, которые должны быть ниже шумов, обусловленных наличием антенны. Ввиду того что уровень шума современных антенн диапазона СВЧ очень мал (шумовая температура порядка 10-30° К при подъеме главного лепестка диаграммы направленности над уровнем земли), то требования к шумовым характеристикам элементов входного тракта весьма жесткие. Выполнить эти требования обычными методами в серийной аппаратуре почти невозможно. Особенно положение усложняется при проектировании приемных систем, предназначенных для работы с передатчиком (в станциях дуплексной связи) или с другими приемниками на одну антенну. В этих наиболее часто встречающихся случаях подключение дополнительных элементов на вход приемника (ферритовых устройств, многорезонаторных фильтров, обеспечивающих входную избирательность) неизбежно, что сказывается на предельной чувствительности приемников. При высокой чувствительности и высокой избирательности входных цепей приемные системы по электрическим характеристикам должны удовлетворять международным нормам и быть не уникальными громоздкими приборами, а серийной надежной аппаратурой.

Пути создания таких систем, у которых собственные шумы могут быть уменьшены во много раз пропорционально температуре охлаждения, а остальные параметры при этом могут быть значительно улучшены, открывает радиотехника низких температур.

Несмотря на то что уже известные охлаждаемые радиоустройства и криогенные установки еще далеки от совершенства, развитие радиотехники низких температур несомненно приведет к дальнейшему прогрессу науки и техники (физики твердого тела, физики низких температур, полупроводниковой электроники, техники СВЧ и т. д.). Исследования при низких температурах различных радиоустройств и их узлов и деталей могут привести к самым неожиданным результатам и существенно обогатить радиотехнику. Сейчас трудно предвидеть, как пойдет это развитие и в какие формы оно конкретно выльется. Можно полагать, что криогенные уста-



происходит в небольшом энергетическом интервале, равном примерно 2kT. Так как при этом средняя энергия всех свободных электронов в металле почти не меняется от температуры, то такое состояние электронов называется вырожденным. Вырождение в основном обусловлено тем, что энергия тепловых колебаний атомов, передаваемая электронам, в большом интервале температур, а тем более при низких температурах, много ниже средней энергии свободных электронов в валентной зоне.

Что же происходит с теплопроводностью и проводимостью металлических проводников при их охлаждении?

Как уже отмечалось, в твердом теле существуют два основных независимых механизма переноса тепла: электронный и решеточный (фононный). Таким образом, теплопроводность определяется выражением и=Хр + Х9л, где Хр и Хэл -решеточная и электронная компоненты.

Механизм решеточной теплопроводности, основной для диэлектриков, в которых практически отсутствуют свободные электроны, был нами рассмотрен ранее. В металлических проводниках решеточная теплопроводность значительно меньше электронной благодаря рассеянию упругих волн (фононов) при столкновениях со свободными электронами.

В то же время число свободных электронов весьма велико (~10 см ), и основным становится механизм электронной теплопроводности.

Для расчета электронной теплопроводности металла может быть применено известное соотношение, определяющее теплопроводность газа:

см-град J

(1.22)

где с - удельная теплоемкость при постоянном объеме;

vo - средняя скорость; / - длина свободного пробега молекул газа. Теплоемкость, обусловленная свободными электронами (вырожденным электронным газом),

(1.23)

где /г,. - число свободных электронов в единице объема; k - постоянная Больцмана. Отсюда

(1.24)

Электрическая проводимость ст может быть определена из отношения плотности тока /, обусловленного наличием в металле с свободных электронов в единице объема, к напряженности приложенного электрического поля £.

Плотность тока равна

(1.25)

где е - заряд электрона;

До - скорость дрейфа электронов под воздействием поля Е.

Таким образом, можно записать

ом-сек J

(1.26)

где \1 - подвижность электронов, определяемая выражением

el f \ \ Av

т-масса электрона. Окончательная формула проводимости имеет вид

ПсеЧ mv

(1.27)

Из анализа приведенных выражений следует, что благодаря неизменности числа электронов Пс при понижении температуры изменение Иэл и а может быть обусловлено только температурной зависимостью длины свободного пробега и скорости электронов, т. е. их подвижностью. Зависимость / от Т имеет сложный характер, связанный с двумя видами рассеяния: на дефектах решетки и на тепловых колебаниях решетки (фононный :5--2175 - 33 -



1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61