СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 7/2016

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2016 Me Me С 2 ε = 3,4 Контур 1 С 1 Контур 2 дисперсия ε (градиент ε ) Me ε M = ε S – Δε ~ СВЧ U = U 0 sin ω t Me Z H Z 1 U CC = 300–1200 В dU/dt или dE/dt Диэлектрик с ε >> ε GaAs (HfO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 и др.) Z 1 Z Н С HfO 2 С HfO 2 С i-GaAs U CC Прирост энергии за период Т будет равным и зависит от знака разницы , если > 0, то прирост Δ W поло- жителен, и амплитуда колебаний U = U 0 sin ω 0 t перерастает в амплитуду U = U 1 sin ω n t (где U 1 > U 0 ). В итоге, смысл параметрического усилителя в том, чтобы > или Δ С > . При приближении возбуждающей частоты ω n к 2W 0 амплитуда вынуж- денных колебаний возрастает, но не в Q раз, а в раз. Или коэффициент усиления К ус. пара- метрического усилителя будет равен: . При этом при m > усилитель пре- вращается в генератор. В итоге, если построить два конту- ра, таких, как показано на рисунке 3, и соединить их параллельно/последо- вательно, то мы сможем в нагрузке вто- рого контура получить усиление с пре- образованием частоты ( ω 1 + ω 2 – часто- ты первого и второго контура). Условие возбуждения двухконтурного пара- метрического усилителя–генератора заключается в выражении: m > , а если от гармоник перейти на тера- герцовое импульсное возбуждение, то необходима поправка: m > . Т ЕРАГЕРЦОВЫЙ ГЕНЕРАТОР НА LPE- МОНОКРИСТАЛЛЕ I -G A A S (S I O) Исходя из приведённых класси- ческих формулировок физических законов электромагнитных явлений в твёрдых телах, обладающих в рав- новесном состоянии ярко выражен- ными диэлектрическими свойства- ми и сильно выраженной частотной зависимостью квантово-механической точечно-системной плотности элек- тромагнитной энергии ∼ε E 2 /8 π , впол- не реально построить новые терагер- цовые и СВЧ-приборы с функциями усиления, генерации, смешения, фазо- вращения и др. Если мы имеем совер- шенный по структуре (с почти нулевой плотностью дислокаций и кластерных дефектов) волноводный брусок GaAs c ρ ≈ 10 9 Ом × см и выше, то совершен- но очевидно, что с помощью приве- дённых ранее аксиом можно постро- ить генераторы и усилители терагер- цового диапазона частот, почти вплоть до границы красного/ИК-диапазона, то есть до критической частоты оптиче- ского поглощения с высоким кванто- вым выходом в GaAs с энергией 1,42 эВ или с λ ≈ 0,81 мкм (верхний порог види- мого красного диапазона – 0,75 мкм). Физическая модель твердотельного терагерцового LPE i-GaAs-генератора показана на рисунке 4. На рисунке представлен двухконтурный параме- трический генератор, где диэлектри- ческий волновод на основе i-GaAs- структуры покрыт диэлектрическими стенками, имеющими значительно больший показатель преломления элек- тромагнитной волны (т.н. отражатель- ные стенки). На рисунке 5 показана эквивалент- ная схема генератора. Колебания сигна- ла в его цепи определяются скоростью частотной модуляции величины С i-GaAs , которая определяется атомной поляри- зацией Ga в LPE i-GaAs-кристалле. За дивергенцией электрического поля последует изме- нение волнового сопротивления моно- кристалла LPE i-GaAs, которое вызвано дисперсией диэлектрической проница- емости в контуре 1 и, соответственно, за этим последует запаздывающая дис- персия ε в контуре 2. Вследствие этого мы будем наблю- дать дисперсиюмаксвелловского сши- вания, в данном случае двух сред (кон- тура 1 и контура 2) или ε 0 ε 1 E 1 = ε 0 ε 2 E 2 , что математически можно выразить следу- ющим образом: или . Самогенерация волны в кристалле, в конечном счёте, приведёт к третье- му значению ε S3 , которое будет удов- летворять неравенству ε S0 > ε S1 > ε S2 > ε S3 или Δε = ε S0 – ε S3 . В целом кристалл LPE i-GaAs будет напоминать новую модель условного «варикапа», который в зоне I дискрет- но-поляризационной характеристики (см. рис. 2) можно назвать не иначе как «релятивистским варикапом», имеющим в качественной интерпретации харак- теристику, показанную на рисунке 6. Совершенно очевидно, что за вре- мя τ p , которое будет определяться инте- гральными величинами времени про- лёта серии волн через монокристалл со скоростями ; ; ; ; , мы будем иметь генерацию целого спектра волн, проходящих через вол- новод LPE i-GaAs. Пролётное время волн изменяется от до . Несложно подсчитать, что при длине GaAs-монокристалла, равной 50 мкм, пролётное время волны соста- вит в худшем случае ( ε = ε S0 ) порядка 5,5 × 10 –13 с или, в переводе на началь- ную частоту колебаний, f ≈ 290 ГГц. При значении t 3 предельная частота коле- баний, в принципе, может удвоить- Рис. 5. Эквивалентная схема генератора Рис. 4. GaAs-генератор с двумя колебательными контурами с Z 1 C 1-GaAs (t) и Z нагрузки С 2-GaAs (t)