веек

механизм рассеяния на ионизированных примесях, изображены на рис. 1.10 {12]. Из рисунка видно, что для германия м-типа критическая величина Екр, при которой становится заметным отступление от закона Ома,

составляет всего 8- 10 в/см при Г = 20° К.

Основным отличием явлений, происходящих при повышенном электрическом поле в охлажденном полупроводнике (когда кТ мало), является нарушение теплового равновесия носителей с решеткой. К этому же может привести поглощение

Рис. 1.10. Экспериментальные зависимости подвижности носителей тока от напряженности электрического поля.

лебаний в определенной части спектра, вызывая разогрев носителей в решетке. Свойства неравновесных систем при низких температурах позволяют создать значительное число новых радиоустройств. Из них особое место занимают устройства на основе излучения фононов (оптических и акустических), когерентного рекомбинационного излучения фотонов (в лазерах), фонон-фононного взаимодействия при наличии дрейфа в пьезополупроводнике и т. д.

5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Наряду с использованием резонанса в колебательных контурах, состоящих из индуктивности и емкости, в радиотехнике последних лет широчайшее распространение получили резонансные явления в твердых телах с магнитными свойствами. Из них прежде всего следует отметить электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ферромагнитный резонанс (ФМР), проявление которых особенно ценно для диапазона сверхвысоких частот.

Весьма перспективно применение явлений циклотронного резонанса и резонанса в антиферромагнетиках (АФМР).

Как известно, исследования ЭПР позволили создать одни из первых приборов радиотехники низких температур-квантовые усилители и генераторы, нормальная работа которых практически осуществима только при глубоком охлаждении. Это дало возможность решить две из основных проблем радиотехники: улучшить чувствительность входных усилителей приемников СВЧ и повысить стабильность частоты генераторов СВЧ при улучшении их монохроматичности.

Изучение ферромагнитного резонанса в новых синтезированных полупроводниковых материалах с ферромагнитными свойствами-ферритах - позволило создать целый класс устройств, без которых немыслима современная радиоаппаратура диапазона СВЧ. К этим устройствам относятся приборы, имеющие невзаимные свойства, т. е. различные параметры для волн, которые проходят через устройства в различных направлениях (например, в прямом и обратном). Такие приборы, называемые ферритовыми вентилями и ферритовыми цир-куляторами, обеспечивают согласование генераторов с соединительными трактами и нагрузкой, разделение сигналов с разными направлениями в одном тракте. Кроме того, на базе ферритов были разработаны СВЧ системы с быстро управляемыми параметрами, такие, как ферритовые модуляторы, быстродействующие переключатели, фазовращатели, фильтры.

Использование нелинейных явлений при ферромагнитном резонансе в ферритах дало возможность приступить к разработке высокочувствительных (малошумя-щих) усилителей, смесителей, ограничителей и других радиоустройств.

Глубокое охлаждение позволяет создать устройства с необходимыми параметрами как за счет использования ряда ценных материалов, которые проявляют свои магнитные свойства только при низких температурах (например гадолиний, диспрозий, тербий, группа антиферромагнетиков), так и за счет улучшения параметров обычных ферритовых устройств (уменьшения уровня их шумов, улучшения магнитных характеристик и стабильности и т. д.).

Парамагнитному и ферромагнитному резонансу в твердых телах посвящена обширная литература. В данном разделе мы только кратко сформулируем основные известные положения пара- и ферромагнетизма, знание которых будет необходимо в дальнейшем.

Парамагнетизмом обладают тела, у которых при наложении внешнего постоянного магнитного поля Н создается намагниченность, характеризуемая магнитной индукцией В:

B = vM = {l-\-4ux)H, (1.47)

где ц- магнитная проницаемость;

X -магнитная восприимчивость, т. е. намагниченность в магнитном поле единичной напряженности.

Намагниченность в вакууме равна нулю. Поэтому для вакуума ц=1 = цо. Для парамагнетиков значение ц близко к Но, что в основном объясняется весьма слабым взаимодействием в них атомов (спиновых и орбитальных моментов). При снятии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнитного вещества исчезает. В общем случае в твердых телах, в том числе в парамагнетиках, элементы внешней оболочки атома могут при некоторых условиях создавать отличный от нуля магнитный момент Me. Тогда в магнитном поле Н диполь с магнитным моментом имеет потенциальную энергию, зависящую от его ориентации в поле Н. Разность между максимальным (против поля) и минимальны\! (вдоль поля) значениями потенциальной энергии составляет 2НМе. При комнатной температуре и при обычно применяемых полях эта разность порядка 10 эв, т. е. очень мала по сравнению с энергией теплового движения *Г=0,025 эв. Поэтому тепловой энергии достаточно для того, чтобы против поля и вдоль поля установилось почти одинаковое число магнитных моментов. Это и приводит к малому значению проницаемости парамагнитных веществ при комнатной температуре. Ферромагнитные вещества, в отличие от парамагнитных, характеризуются сильным обменным воздействием меж-ду электронами, и ферромагнетизм возникает благодаря наличию нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов, находящихся на недостроенных

3(-оболочках или 4/-оболочках ионов. Совокупность элементарных носителей магнитного момента в ферромагнетике (спиновая система) по современным воззрениям представляет собой ансамбль частиц, связанных между собой и своим окружением значительными силами электрического и магнитного происхождения. Поэтому ферромагнитным веществам присущи следующие черты, обусловленные наличием в них областей спонтанного намагничения (доменов):

- высокое значение магнитной проницаемости.

- сохранение намагниченности после снятия внешнего поля.

При охлаждении ферромагнетика до 0°К, т. е. при исчезновении дезориентирующего влияния теплового движения, благодаря обменному характеру взаимодействия нескомпенсированных спиновых моментов ионов кристаллической решетки ферромагнетика удельный магнитный момент вещества становится максимальным. При нагреве ферромагнетика до температуры выше точки Кюри самопроизвольная (спонтанная) намагниченность исчезает и вещество становится парамагнитным. Точка Кюри, при которой энергия теплового возбуждения становится больше разницы в энергиях между магнитным и немагнитным состоянием (несколько десятых долей электроновольт), для многих материалов имеет небольшую величину. Так, например, для гадолиния температура Кюри равна 289° К, а для диспрозия - всего 105° К. Следовательно, при комнатных температурах эти вещества не обнаруживают ферромагнитных свойств.

Намагниченность парамагнитных веществ изменяется от температуры Г по закону {1]

(1.48)

где Л, - общее количество атомов в системе;

-магнетон Бора j. = 2 = -0,927-Ю эрг1э;

- фактор спектроскопического расщепления (для

электронных спинов равен 2); Й-A/21U. 4-2175 - 49 -

Восприимчивость X определяется по формуле

4 kT

(1.49)

Для ферромагнетиков спонтанная намагниченность определяется выражением (при Я = 0)

(1.50)

где Bs-функция Бриллюэна; 5 - спин;

N - число Авогадро; Л-постоянная молекулярного поля. Для обычных ферромагнетиков намагниченность М при низких температурах изменяется по закону трех вторых , установленному Блохом:

(1.51)

В этой формуле Мо - намагниченность при 0° К, а Тв определяется типом решетки материала [31 гл. 6].

Для ферритов, являющихся нескомпенсированными антиферромагнетиками, зависимости х и М от температуры имеют более сложный характер.

Наибольший практический интерес представляют резонансные явления в веществах, которые имеюг парамагнитные или ферромагнитные свойства, но благодаря малой электропроводности являются прозрачными для радиоволн диапазона СВЧ. Если поместить пара- или ферромагнитное вещество во внешнее постоянное магнитное поле Яо, то вследствие эффекта Зеемана произойдет расщепление энергетических уровней электрона. Разность энергии спинов, направленных вдоль и против поля, составляет

б£=2тспЯо, (1.52)

где Шсп - магнитный момент спина.

При охлаждении до 0° К все спины находятся на нижнем из двух энергетических уровней, разделенных интервалом ЬЕ, т. е. ориентированы по полю. Переход на верхний уровень возможен либо за счет приобрете-

ния ь.чергии при тепловых колебаниях атомов вещества, либо за счет поглощения кванта электромагнитного поля. При воздействии электромагнитного поля с частотой шо энергия кванта должна составить ЬЕ и равна

йшо=2тспЯо.

(1.53)

Таким образом, селективное поглощение ферромагнетиком или парамагнетиком энергии электромагнитного поля, т. е. резонанс, будет на частоте

2т СП

(1.54)

Значение Ycn=-f= c = l,7653-10 \\э-сек определяется отношением магнитного момента спина к механическому. С учетом орбитальных магнитных моментов электронов выражение для запишется в виде [8]

(1.55)

g - фактор спектроскопического расщепления

При квазиклассическом методе подхода, как известно, резонанс можно трактовать явлением опрокидывания магнитного волчка, находящегося в ноле Яо-

Для этого волчка магнитный момент связан с высо-

->

кочастотным магнитным нолем h, перпендикулярным

к оси прецессии (к полю Яо), уравнением движения

dM dt

(1.56)

Опрокидывание волчка происходит при совпадении частоты ш поля /г с ларморовской частотой прецессии (резонансной частотой мо). При этом на резонансной частоте наблюдается максимум поглощения энергии электромагнитных волн, которая в конечном счете переходит в тепловые колебания решетки вещества. Вблизи 4* - 51 -