Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - Förstärkningseffekt baserad på laddningsbärare med negativa massor, av BP
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
Förstärkningseffekt baserad på
laddningsbärare med negativa massor
En helt ny metod för generering och förstärkning av
elektromagnetisk strålning från mycket låga frekvenser
och upp mot 1 000 GHz har föreslagits. Vid denna metod
utnyttjas laddningsbärare med negativa massor. En
partikel med negativ massa, som påverkas av en kraft,
kommer att accelereras i en riktning motsatt denna.
Laddningsbärare med denna egenskap kommer sålunda att ge
upphov till en ström gående mot det elektriska fältet, vilket
motsvarar en negativ resistans. En förstärkare baserad på
denna princip är ej beroende av molekylresonanser såsom
en maser, utan blir mycket bredbandig och lätt
avstäm-bar. Den har fått namnet nemag, vilket är en förkortning
av uttrycket "Negative Effective Mass Amplifier and
Generator".
Partiklar med negativ effektiv massa kan endast
uppkomma i fasta kroppar. I en halvledare kan såväl
elektroner som hål ha negativa massor i vissa bestämda
riktningar eller områden i förhållande till kristallaxlarna, om
de samtidigt har en lämplig kinetisk energi. Denna
tillföres från ett yttre på visst sätt riktat likspänningsfält,
som alltså även utgör energikällan för
förstärkningsprocessen.
Den negativa effektiva massan brukar uppdelas i tre
riktningsbestämda komponenter, de s.k. huvudmassorna.
Vanligen blir endast en av dessa negativ och då måste
signalfältets riktning noga sammanfalla med denna massas
riktning. Den dämpande inverkan på signalen av de övriga
huvudmassorna måste vara så liten som möjligt. Om två
huvudmassor är negativa skall signalfältet ligga i deras
gemensamma plan och om samtliga tre huvudmassor är
negativa kan fältriktningen väljas godtyckligt.
Orienteringen av signalfältet i förhållande till likspänningsfältet
kan, allt efter halvledarkristallens egenskaper, variera
mellan parallellitet och 90° vridning. En av de mest
lovande nemag-typerna, som utnyttjar s.k. tunga hål i
germanium, har korsade fält.
Ytterligare ett villkor, för att de negativa massorna skall
kunna utnyttjas i en nemag, är att de skall bildas redan
vid relativt låga energier (spänningar). Vid en viss nivå
kommer nämligen laddningsbärarnas energi ej att kunna
ökas ytterligare med spänningen på grund av två
begränsande effekter nämligen lavineffekt och optisk
fonon-spridning.
Den förstnämnda effekten beror på en
hål-elektron-multiplikation, som tillgår så att en elektron lyftes upp över
det förbjudna energigapet, motsvarande en energinivå > Ey.
Därvid avger elektronen sin överskottsenergi genom att
lyfta upp en valenselektron, som efterlämnar ett hål, till
ledningsbandet och återvänder sedan till nivån Eg. Om
negativa massor skulle uppkomma vid en energi alldeles
under Eg, kan deras inverkan upphävas, genom att andra
elektroner, med energier > Eg, producerar
ledningselektroner och hål, som får positiva massor och verkar
dämpande.
Den optiska fononspridningen är emellertid av ännu större
betydelse eftersom den vanligen gör sig gällande vid en
Fig. 1. Nemag-oscillator för låga frekvenser.
128 ELTEKNIK 1959
Fig. 2. Fyra olika typer av nemag-oscillatorer för
mikrovågor.
energinivå, som är lägre än vid lavineffekten. En elektron,
som uppnår en energi större än energin hos en optisk
fonon, E0pt, förlorar med största sannolikhet större delen
av sin energi och exciterar en optisk fonon. (En fonon är
namnet på en hypotetisk partikel med vars hjälp man
kan beskriva vibrationerna i ett kristallgitter.) Om en
halvledare skall kunna användas i en nemag, bör den
alltså vara så beskaffad, att negativa massor kan
uppkomma vid energier < Eopt.
Om laddningsbärarnas kinetiska energi av någon
anledning är så stor, att den här beskrivna energiövergången
från en laddningsbärare till en optisk fonon ändå äger
rum, bör den förstnämnda avge hela sin energi till
fono-nen, varefter den omedelbart accelereras på nytt och
fålen negativ massa. Denna spridningsprocess (av betydelse
i en p-germanium nemag) inverkar sålunda ej menligt på
förstärkningsfunktionen. Detta gör däremot den akustiska
fononspridningen, vid vilken laddningsbärarna genom
elastiska kollisioner hastigt sprids utanför det område
där negativa massor kan bildas. Om emellertid
laddningarna mycket snabbt accelereras upp till Eopt, med hjälp
av ett mycket starkt elektriskt fält, blir sannolikheten för
att de skall hinna kollidera med en akustisk fonon mycket
liten. I germanium fordras på grund härav ett
likspänningsfält av storleksordningen 5 000 V/cm vid
rumstemperatur. Vid lägre temperatur räcker ett svagare fält. För
att undvika återkoppling av energi från en optisk fonon
till laddningsbärarna måste driftstemperaturen uppfylla
villkoret kt > E0pt där k är Boltzmans konstant.
Transformationen av laddningsbärarnas kinetiska energi
till växelfältet försiggår ungefär lika effektivt från
frekvensen noll och upp till kollisionsfrekvensen. Det är
denna, som bestämmer den övre frekvensgränsen till ca
1 000 GHz, motsvarande en våglängd av 0,3 mm.
Vid konstruktion av en nemag med p-germanium,
framställes en parallellepipedisk stav med längdriktningen
parallell med den kristallografiska 1 0 0-axeln. På stavens båda
ändar fastlödes skivformiga elektroder mellan vilka
likspänningen påtryckes. Växelfältet måste sedan riktas
vinkelrätt mot stavens längdriktning. Vid låga frekvenser
anslutes växelspänningen över två plattor och en
oscillator får därvid den i fig. 1 schematiskt visade
uppbyggnaden. För frekvenser inom mikrovågsområdet utföres
kristallen som en tunn skiva — dess tjocklek bör vara lika
med inträngningsdjupet — och placeras i en kavitet eller
vågledare, fig. 2. En sådan anordning kan ge en
effektförstärkning av ca 8 dB/cm vid en frekvens, som är mycket
högre än strypfrekvensen. Nära denna blir förstärkningen
ännu högre. En nemag får antas ge mycket lågt brus, men
några direkta värden på ekvivalent brustemperatur har ej
angivits (H Kkömer i Proc I.R.E. mars 1959 s. 397—106).
BP
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
