Функціональна схема, принцип дії генераторного пролітного клістрона. Конструктивно-технологічні особливості та застосування.

Клістронними генераторами називаються прилади О-типу, у яких

угрупування електронів і передача їхньої енергії НВЧ полю відбувається в

результаті взаємодії електронів з НВЧ полем, локалізованим в одному чи

більше зазорах резонаторів.

Клістрони застосовуються для підсилення, генерування і множення

частоти НВЧ коливань. Їхні коливальні системи вузькосмугові і перебудова

клістронних підсилювачів чи генераторів у широкому діапазоні хвиль

проводяться, як правило, механічно, шляхом зміни геометричних розмірів

резонаторів. Звичайно смуга пропускання клістрона складає 1...3 %, а діапазон

перебудови 50 % від середньої частоти.

Розрізняють пролітні (ПК) і відбивні (ВК) клістрони (рис. 3.1 а, б)

Пролітні клістрони є найбільш потужними приладами НВЧ діапазону.

Вони підсилюють і генерують коливання з частотами від 200 МГц до десятків

гігагерц при середній потужності до 1000 кВт та імпульсної потужності до

50 МВт. Клістрони забезпечують одержання коефіцієнта підсилення до 20 дБ

при ККД до 20 %.

Практичне застосування знаходять пролітні клістрони з двома, трьома і

чотирма резонаторами. Зі збільшенням числа резонаторів зростає коефіцієнт

підсилення (до 40 дБ і більше) і підвищує ККД (до 30...40 %). ПК

використовуються як автогенератори та підсилювачі потужності в

радіопередаючих пристроях РЛС. ВК, як правило, застосовуються як

малопотужні автогенератори, що перебудовуються.

 

Будова і принцип роботи дворезонаторного пролітного

Клістрона

Будова дворезонаторного пролітного клістрона зображений на рис. 3.2.

Електронна гармата (1,2,3) створює вузький електронний потік із високою

щільністю просторового заряду. Для більшої концентрації променя, тобто для

зменшення його радіального розміру, за допомогою соленоїда (9) створюється

постійне магнітне поле, спрямоване уздовж електронного потоку.

Електронний потік проходить через два резонатори (5) і (7), розділених

простором дрейфу (6), у якому практично відсутнє високочастотне поле. Після

проходження другого резонатора (7) електронний потік попадає на анод (8), де

виділяє залишки своєї енергії у вигляді тепла. На електрод, що прискорює, (4)

подається напруга Ua

, величина якої в залежності від потужності пролітного

клістрона лежить у межах від сотень вольт до сотень кіловольт.

Як вхідний (5) і вихідний (7) резонатори часто застосовуються прямокутні

і з коаксіальною симетрією (тороїдальні, біциліндричні, коаксіальні)

резонатори.

У малопотужних клістронах для забезпечення ефективної взаємодії

електронного потоку з полем резонатора в ємкісній частині резонатора

встановлюються спеціальні сітки. У потужних пролітних клістронах для

збільшення коефіцієнта корисної дії, замість сіток, встановлюють пролітні

труби.

При роботі клістрона як підсилювача високочастотна напруга подається на

вхідний резонатор (5) за допомогою спеціальних елементів, наприклад, петель

зв'язку. Вихідна потужність виводиться з вихідного резонатора (7) також за

допомогою елементів зв'язку. Для зручності експлуатації усю високочастотну

частину, включаючи резонатори, заземлюють, однак при цьому катод клістрона

знаходиться під високою (до сотень кіловольт) напругою, що визначає

підвищені вимоги до ізоляції катода щодо резонаторів.

У ПК, як і в розглянутих раніше лампових підсилювачах потужності,

відбувається перетворення енергії джерела постійної напруги в енергію

високочастотних коливань.

Рівномірний за щільністю потік електронів, що виходить з електронної

гармати, набуває до моменту входу в робочий зазор вхідного резонатора (5)

велику швидкість:

У вхідний резонатор (5), що іноді називають модулятором чи

угруповувачем, від зовнішнього джерела надходять високочастотні коливання,

у результаті чого між сітками резонатора буде діяти змінна напруга, що

змінюється по гармонійному закону

Електрони, проходячи між сітками вхідного резонатора, під дією

перемінної напруги отримують прискорення, величина якого залежить від

амплітуди і фази установленої між сітками напруги. Так електрони, що

потрапляють у вхідний резонатор в позитивний напівперіод напруги u1

(t) (коли

поле в зазорі що прискорює), збільшують свою швидкість, а електрони, що

попадають у негативний напівперіод (коли поле в гальмуючому зазорі),

навпаки, її зменшують.

Таким чином, у зазорі вхідного резонатора (5) електрони променя під дією

змінного поля змінюють свою швидкість, тобто в електронному потоці

здійснюється модуляція електронів за швидкістю відповідно до закону зміни

посилюваних коливань. У просторі дрейфу (6) на електрони, що

промодульовані за швидкістю, не діють ніякі сили, і вони продовжують

рухатися за інерцією з тією ж швидкістю, з якою вилітають із угруповувача.

 

 

Процес руху електронів у просторі дрейфу пояснимо за допомогою

просторово-тимчасової діаграми (рис. 3.3). На рисунку Z – напрямок від

електронної гармати до анода уздовж руху електронного потоку;

Z1 – перетин вхідного резонатора (5); Z2 – перетин вихідного резонатора

(7); L – довжина простору дрейфу. По вертикальній осі діаграми відкладено

пройдену електроном відстань, по горизонтальній – час. Нижче зображена

перемінна напруга, що діє в зазорі вхідного резонатора. Просторово-тимчасові

діаграми електронів, що рухаються з постійною швидкістю, являють собою

прямі лінії, нахил яких зі збільшенням швидкості стає крутішим.

Електрон 2 проходить зазор вхідного резонатора, коли перемінне поле

u1(t) у зазорі близьке до нуля, вплив цього поля на нього відсутній, і нахил

просторово-тимчасової діаграми для цього електрона визначається швидкістю

V0. Електрон 1, що потрапляє в негативний напівперіод напруги u1(t), рухається з меншою швидкістю U0 - ∆U, і отже, пряма, що відповідає йому буде трохи похилішою. Електрон 3, що вилетів у позитивний напівперіод, одержить позитивне збільшення швидкості U0 + ∆U і його просторово-тимчасова діаграма стане крутішою.

Як видно з рис. 3.3, електрони на деякій відстані від перетину вхідного

резонатора Z1 просторово-тимчасові діаграми перетинаються, утворюючи серії

електронних ущільнень, тобто відбувається групування електронного потоку за

щільністю. Максимальну щільність електронні згустки мають лише на

визначеній відстані Z2 від угруповувача, де повинен знаходитися вихідний

резонатор. У вихідному резонаторі електронний промінь наводить високочастотні коливання, частота яких визначається частотою проходження згустків електронів, що, у свою чергу, дорівнює частоті напруги u1(t), а фаза коливань, що наводяться, відповідно до правила Ленца, протилежна фазі збуджуючих коливань. Таким чином, згустки електронів потрапляють у негативні напівперіоди наведених коливань u2(t), відбувається їхнє гальмування і передача їхньої кінетичної енергії (отриманої електронами від джерела постійної напруги) НВЧ полю резонатора (7). Решту кінетичної енергії електрони виділяють у вигляді тепла на аноді (8). Отже, процес взаємодії електронного потоку з електричними полями можна розділити на чотири етапи:

1) прискорення електронів постійним полем в області катод – вхідний резонатор;

2) взаємодія електронного потоку зі змінним полем вхідного резонатора (модуляція електронів за швидкістю);

3) групування електронного потоку в просторі дрейфу, у якому модуляція за

швидкістю приводять до модуляції за щільністю;

4) передача згрупованим електронним потоком своєї енергії при проходженні

робочого зазору вихідного резонатора.

Як і всякий підсилювач, пролітний клістрон може бути перетворений в

автогенератор шляхом введення позитивного зворотного зв'язку між вихідним і

вхідним резонаторами, тобто шляхом їхнього з'єднання хвилеводною лінією

такої довжини, при якій буде забезпечуватися умова балансу фаз на робочій

частоті. Якщо ж вихідний резонатор настроїти на частоту, кратну частоті

вхідного сигналу, то клістронний підсилювач можна використовувати як

помножувач частоти.

 

 

3. Основні принципи планарної технології. Електронна літографія.

Плана́рна техноло́гія — сукупність технологічних операцій при виготовленні планарних (пласких, поверхневих) напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем.

Принципи технології.

Схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманій шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. Хімічний склад підкладок, кристалічна структура (аж до міжатомної відстані в підкладках для сучасних процесорів) і кристалографічна орієнтація ретельно контролюються. В ході технологічного процесу в приповерхневому шарі напівпровідникового матеріалу, який є підкладкою або нанесеного на підкладку, утворююють області з різним типом провідності (або різної концентрації), дозуючи концентрацію донорних і акцепторних домішок. Області захищають шаром діелектрика, залишаючи вікна контактів. Поверх шару напівпровідникового матеріалу наносять шар алюмінію (чи іншого провідника), забезпечуючи внутрішні і зовнішні контакти і необхідні з'єднання по схемі. Шари провідника, напівпровідника і діелектрика в сукупності утворююють структуру напівпровідникового приладу чи інтегральної мікросхеми.

Особливістю планарної технології є те, що після завершення кожної технологічної операції, відновлюється плоска (планарна) форма поверхні пластини, що дозволяє створювати достатньо складну структуру, використовуючи обмежений набір технологічних операцій.

Планарна технологія забезпечує можливість одночасного виготовлення в єдиному технологічному процесі (інтеграцію) великої кількості дискретних напівпровідникових приладів чи інтегральних мікросхем на одній підкладці, що дозволяє суттєво знизити їх вартість. Також у випадку виготовлення на одній пластині ідентичних приладів параметри всіх приладів виявляються близькими. Обмеженою є тільки площа підкладки, тому діаметр підкладки намагаються збільшити.

Для контролю якості виконання проміжних операцій на підкладці, зазвичай, виділяють декілька малих областей (в центрі і на периферії), на яких в ході штатного технологічного процесу формуються тестові площинки до тестових приладів (конденсатори, діоди, транзистори і т.і.). Для суміщення зображень при фотолітографії також в спеціально виділеній області формуються знаки суміщення, на кшталт того, що можно зустріти на кольоровій друкованій продукції.

Основні технологічні операції в планарній технології базуються на процесі літографії (фотолітографії). Використовують наступні методи:

· оптична фотолітографія (стандартна), λ=310-450нм;

· ультрафіолетова фотолітографія на ексимерних лазерах, λ=248, λ=193 нм

· фотолітографія в межовому ультрафіолеті, λ=100-10нм;

· рентгенівська фотолітографія, λ=0.1-10нм

· електронна літографія

· іонна літографія

Методи фотолітографії можуть бути скануючими і проекційними; контактними, безконтактними, і на мікропроміжку. Також може бути обмежено застосований метод радіаційно-стимульованої дифузії.

Електронна літографія

Електронна літографія або електронно-променева літографія - метод нанолітографії з використанням електронного пучка.

Остросфокусірованний електронний пучок, відхиляється магнітною системою, промальовує потрібні конфігурації на поверхні чутливого до електронного опроміненню резіста, нанесеного на підкладку. Управління електронним пучком виробляється зміною струмів в відхиляють магнітних системах, керованих комп'ютером.

Засвічені опроміненням ділянки резіста полімеризуються, набуваючи нерозчинність. Далі незасвічені ділянки змиваються підібраним розчинником. Через отримані вікна проводиться вакуумне напилення відповідного матеріалу, наприклад, нітриду титану або металів. Полімеризований резіст змивають іншим розчинником, після видалення підкладки остаточно формує маску для використання в фотолітографії.

Електронна літографія дозволяє, на нинішньому рівні розвитку технології, отримувати структури з роздільною здатністю менше 1 нм, недосяжною для жорсткого ультрафіолетового випромінювання, завдяки більш короткій Де-Бройлевской довжині хвилі електронів порівняно зі світлом.

Електронна літографія - протягом тривалого часу є основним методом отримання масок для подальшої фотолітографії (у тому числі масок для проекційної фотолітографії при масовому виробництві надвеликих мікросхем). Альтернативним способом створення масок є системи, що використовують лазери, однак вони мають менший дозвіл.

Також, електронна літографія, що має невисоку продуктивність, використовується при виробництві одиничних екземплярів електронних компонентів, де потрібна нанометрове дозвіл, у промисловості та наукових дослідженнях.

Системи для електронної літографії

Системи електронної літографії для комерційних застосувань мають вартість близько $ 4 млн і вище. Для наукових досліджень зазвичай використовують електронний мікроскоп, перероблений в систему електронної літографії за допомогою відносно дешевих аксесуарів (<$ 100 тис.). Такі перероблені системи дозволяли створювати лінії з шириною близько 20 нм вже в 1990-х роках. Тим часом, сучасне спеціалізоване обладнання дозволять отримувати дозвіл порядку 10 нм.

Системи електронно-променевої літографії можна класифікувати за формою променя і по стратегії відхилення променя. Старі системи використовували гаусові пучки, і сканування вироблялося растровим методом. Більш нові системи використовують як гаусові пучки, так і сформовану форму променя, які можуть бути відхилені в різні положення в полі запису. Цей спосіб також називається векторним скануванням (vector scan).

 

Білет 11(опять-таки, прислало 2 человека)