Негатроника. Исторический обзор (стр. 1 из 3)
Николай Филинюк
В настоящее время в области электроники развивается ряд научных направлений: квантовая электроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, хемотроника, магнитоэлектроника, криоэлектроника и др. В последнее десятилетие сформировалось еще одно направление – «Негатроника» [1...3]. Это направление электроники связанно с теорией и практикой создания и применения негатронов – электронных приборов, имеющих в определенном режиме отрицательное значение основного дифференциального параметра (отрицательных активного сопротивления, емкости и индуктивности) [4]. В настоящее время разработаны различные виды негатронов, обобщенная классификация которых представлена на рис.1. Только полупроводниковых негатронов создано более двух десятков разновидностей (рис.2). Среди них самые мощные сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы – лавинно-пролетные диоды, самые быстродействующие ключи на лавинных транзисторах, самые мощные токовые полупроводниковые переключатели на динисторах и тиристорах. Однако развитие этого направления проходило неравномерно и, в отличие от классической транзисторной электроники, долгое время не имело систематизированной методологической и теоретической базы. И только в 1985 году [1] была дана формулировка этого научного направления. Целью данной статьи является попытка кратко рассмотреть историю развития «Негатроники».
Рис. 1. Обобщенная классификация негатронов
Возбуждение электрических колебаний с помощью отрицательных импедансов известно еще с начала ХХ века и связано с открытием Дудделем [5] «Звучащей электрической дуги». Вследствие неудобства практического использования электрической дуги в схемах генераторов она была вытеснена появившимися ламповыми генераторами.
Первые электронные лампы, вследствие несовершенства техники получения глубокого вакуума, были газонаполненными, и на их вольт-амперных характеристиках наблюдались падающие участки. На этих участках вещественный импеданс между анодом и катодом газонаполненной лампы является отрицательным [6], что в принципе позволяло использовать это их свойство для построения генераторов и усилителей электрических колебаний. Однако их большие шумы и нестабильность явились причиной незначительного интереса к ним, как к приборам, обладающим отрицательным сопротивлением.
Рис. 2. Классификация полупроводниковых негатронов
Изобретение в 1924 году электровакуумного тетрода поставило перед специалистами проблему «динатронного эффекта», в результате которого на выходной вольт-амперной характеристике тетрода наблюдается падающий участок, приводящий к росту нелинейных искажений и самовозбуждению усилителя. Этот эффект не нашел практического применения и был преодолен в 1931г. введением в электронной лампе третьей антидинатронной сетки.
Открытие падающего участка на в.а.х. полупроводникового точечного диода, сделанное 13 января 1922 году инженером Нижегородской лаборатории О.В.Лосевым, следует считать началом развития полупроводниковой негатроники [7]. Молодой ученый не только впервые получил на в.а.х. диода падающий участок, но и реализовал с использованием такого диода регенеративный приемник – кристадин. Эти результаты привлекли внимание многих специалистов мира. В США журнал "Radio News" поместил в сентябрьском номере редакционную статью под заголовком «Сенсационное изобретение». В ней говорилось: «Нет надобности доказывать, что это – революционное радио-изобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим теперь о схеме с тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет для того, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит». В этом предсказании не оправдались только сроки. Именно эти первые работы О.В.Лосева следует считать началом «Эры» полупроводниковой электроники.
Электронные приборы с падающим участком на в.а.х. в дальнейшем получили наименование «негатроны» [9].
Успешное развитие электронно-вакуумных приборов отвернуло внимание специалистов от этого направления. Хотя, в результате развития электронных ламп и повышения рабочих частот, в них проявлялись эффекты, связанные с отрицательным сопротивлением. Это приводило к неконтролируемому возбуждению электронной аппаратуры и росту нелинейных искажений, и поэтому рассматривалось как паразитное явление. И только изобретение в 1932г. Д.А.Рожанским и А.Н.Арсеньевой пролетного клистрона, а в 1936...37гг. Н.Ф.Алексеевым и Д.Е.Маляровым – многорезонаторного магнетрона, явилось дальнейшим толчком развития вакуумной негатроники. В этих приборах, и позже в изобретенных лампах бегущей (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ), в результате взаимодействия электронов с электромагнитными полями, происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного поля и, как следствие, к появлению отрицательного сопротивления [10]. Значительный вклад в создание таких приборов принадлежит Н.Д.Девяткову, М.С.Нейману, С.Д.Гвоздоверу, В.Ф.Коваленко, М.Т.Греховой, Ю.А.Кацману, С.А.Зусманову, И.В.Лебедеву и др.
Освоение СВЧ диапазона привело к поиску новых физических эффектов и полупроводниковых приборов, обладающих отрицательным сопротивлением. Усилия прежде всего были направлены на создание полупроводниковых негатронов, обладающих отрицательным сопротивлением как можно на более высоких частотах в сверхвысокочастотном диапазоне. Началом поиска путей создания таких СВЧ-приборов было положено статьей Шокли, опубликованной в 1954 году [11]. Автор обсуждает идею двухэлектродного прибора с отрицательным сопротивлением, возникающим благодаря эффекту времени пролета. В качестве первого примера он рассматривает «диод с задержкой неосновных носителей». В предлагаемой им p+-n-p или (n+-p-n)-структуре, неосновные носители, инжектируемые из p+-n перехода, дрейфуют к другому p-n переходу, претерпевая при этом задержку, равную времени пролета. Другой прибор, предложенный Шокли, представляет собой p-n-p структуру, которая используется в режиме прокола, чтобы обеспечить ее униполярность. Эти две структуры необычайно похожи на появившиеся позднее инжекционно-пролетные диоды (ИПД).
В той же статье Шокли обсуждает возможность создания двухэлектродного прибора, представляющего собой просто однородный полупроводник, в котором под действием сильного электрического поля могут наблюдаться отклонения от закона Ома, приводящие к возникновению отрицательного дифференциального сопротивления. Отклонение от закона Ома выражается в понижении скорости носителей с увеличением напряженности поля, т.е. в появлении области отрицательной дифференциальной подвижности. Однако практической реализации эта идея не получила из-за ряда теоретических недоработок. И только в 1963г. Ганном были получены первые экспериментальные данные о существовании пролетных колебаний, связанных с этим свойством, в GaAs и InP [12]. А приборы, использующие этот эффект, получили наименование «Диоды Ганна» или «приборы на эффекте объемного отрицательного сопротивления».
Интересный двухэлектродный прибор с отрицательным сопротивлением, действующий на новом принципе – туннельный диод, был открыт в 1957г. японским физиком Эсаки [13]. На прямой ветви в.а.х. очень узкого германиевого p-n-перехода (т.е. перехода, созданного на сильнолегированном материале) был обнаружен участок отрицательного сопротивления конечной величины. Такая характеристика получается в результате полевой эмиссии (туннелирования) электронов через узкий обедненный слой. Следует заметить, что туннельный диод не оправдал ожиданий, поскольку от него не удалось получить большой выходной мощности.
В 1958г. Рид [14] предложил использовать для генерации СВЧ мощности диод с многосложной n±p-p– структурой. В этом приборе используется сочетание эффектов лавинного умножения, основанного на ударной ионизации, и времени пролета электронов. Поэтомуприборбылназван IMPATT-диод (Impact Avalanche and Transit Time). Однако предложенная им специальная конструкция диода оказалась слишком сложной, ее удалось воплотить в жизнь только в 1964г.
В СССР эти приборы получили наименование «лавинно-пролетные диоды» (ЛПД) и были открыты А.С.Тагером и его сотрудниками в 1959г. [15]. За рубежом первое сообщение о практической реализации ЛПД было опубликовано в 1965 году [16].
Дальнейшим развитием ЛПД является ТРАПАТТ-диод (Траpped Plasma Avalanche-and-Transit Time, что означает «лавинно-пролетный диод с захватом плазмы»). Для реализации ТРАПАТТ-режима, открытого в 1966г. [17], необходимо весьма сложное взаимодействие между прибором и СВЧ схемой. Например ТРАПАТТ-усилитель требует настройки по гармоникам и субгармоникам, а также использования ЛПД-режима для запуска. Несмотря на сложность самого прибора и соответствующей схемы, ТРАПАТТ-диоды играют ведущую роль в фазированных антенных решетках (ФАР), поскольку обеспечивают возможность получения высокой импульсной мощности на СВЧ (>100 Вт), большего коэффициента заполнения (1...20%), высокого к.п.д. (>25%) и ширины полосы пропускания в усилителях не менее 15%. Однако этим приборам присущи и некоторые недостатки:
процессу ударной ионизации свойственны значительные шумы, поэтому усилители и генераторы на их основе будут также иметь большие шумы;
процесс ударной ионизации требует большей мощности для получения значительных электрических полей.
В 1971г. впервые была получена генерация в СВЧ диапазоне с помощью инжекционно-пролетных диодов (ИПД) [18], теоретические основы работы которого были обоснованы еще в 1954 году Шокли [11]. В ряде публикаций эти диоды получили наименование «БАРИТТ-диоды» (Barrier Injection Transit Time Diodes). Обладая, как и ЛПД, динамическим отрицательным сопротивлением в диапазоне СВЧ, в них не используется режим лавинного умножения носителей и, следовательно, отсутствуют недостатки, присущие ЛПД.