Сигналы в электронике

Электроны как носители сигналов

Мир электрона Быть может, эти электроны Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом — Вселенная, где сто планет;

Там — все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже Там та же мировая спесь.

Их мудрецы свой мир бескрайний Поставив центром бытия, Спешат проникнуть в искры тайны И умствуют, как ныне я;

Л в миг, когда из разрушенья Творятся точки новых сил, Кричат, в мечтах самовнушения, Что бог свой светоч загасил!

Валерии Брюсов 13 августа 1922 г.

Сигнал является носителем информации, способом передачи информации. Сигнал переносится либо энергией, либо веществом или тем и другим способом одновременно. Он является физическим процессом, имеющим информационное значение, способом передачи информации.

Различают аналоговый и дискретный сигналы. Аналоговый сигнал — сигнал, непрерывно изменяющийся по амплитуде и во времени, заданный в виде непрерывной функции. Сигнал называется дискретным, если он может принимать лишь конечное число значений в конечном числе моментов времени. Такой сигнал задается в виде дискретной функции и удобен в использовании для цифровой обработки сигналов.

В электронике сигнал формируется, передается и обрабатывается на протяжении более столетия электронами. Согласно современным представлениям физики элементарных частиц электрон обладает зарядом е = = -1,6021 • 10 ¹⁹ К л. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда и других элементарных частиц. Масса электрона составляет т_е = 0,9109−10 ³⁰ кг, что приблизительно в 1836 раз меньше массы протона. Масса электрона может быть выражена и таким образом: т_е = 0,511 МэВ.

Отношение заряда к массе электрона также является важным парато метром: — = -1,75 882 0024(11) — 10″ Кл/кг — удельный заряд электрона. т_е

Собственный магнитный момент электрона х_е = 9,284 • 10 ²⁴ Дж/Тл.

Электрон является стабильной частицей, время жизни которой составляет порядка 10²² лет, а радиус электрона меньше 10^-18 м (рис. 1.1). Классический радиус электрона вычисляется из условия равенства электростатической энергии электрона и энергии покоя и равен 2,8179 • 10~¹⁵ м. В атоме водорода электрон делает один оборот по орбите за 150 аттосекунд, или 150 • 10 ¹⁸ с.

Электрон принадлежит к группе лептонов и является самым легким из заряженных лептонов. Спин электрона равен ½ в единицах постоянной Планка h и имеет две проекции: ±½. Электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. При нахождении в периодическом потенциале кристалла, движение электрона рассматривается как движение квазичастицы, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона и в общем случае является тензором.

Рис. 1.1. Основные параметры атома Слово «атом» обозначает мельчайшую неделимую частицу. Само же движение — свойство, естественно присущее атомам. Тела — это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено различием как слагающих их атомов, так и порядка сборки. Атомы не могут соприкасаться, поскольку все, что нс имеет внутри себя пустоты, является неделимым, т. е. единым атомом. Так думал Демокрит Абдерский (460 до н.э. — ок. 370 до н.э.) — древнегреческий философ, один из основателей атомистики.

Условно электроны в твердом теле делятся на связанные и свободные. Каждый атом занимает в структуре строго определенное место и, как нравило, остается «привязанными» к этому месту. В зависимости от температуры каждый атом более или менее сильно колеблется около своего места в кристаллической решетке.

Квант колебания кристаллической решетки называется фононом. В пространстве между атомами металлов движутся свободные электроны. Эти электроны не связаны с определенными атомами. В электронных оболочках атомов твердых тел всегда есть электроны, слабо связанные с ядром. В этом случае атомы отдают эти электроны другим атомам, а сами превращаются в положительные ионы. Все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами. Число таких свободных электронов в твердом теле достигает величины 10²³ см^-3. Таким образом, в решетке из ионов твердого тела находится электронный газ.

Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоряются, так что среди них всегда есть и быстрые, и медленные. Движение свободных электронов хаотично. При приложении внешнего электрического поля электроны дрейфуют в определенном направлении. Среди беспорядочно движущихся электронов всегда есть такие, которые летят по направлению к поверхности металла. Будут ли они покидать твердое тело? Кулоновские силы притяжение ионов не позволят им покинуть границы. Для эмиссии электронов нужно предварительно возбудить электроны либо создать условия для автоэлектронной эмиссии.

Свободные электроны широко используются в приборах и устройствах вакуумной и твердотельной электроники, микрои наноэлектроники (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла.

Показана траектория одного из электронов Определенные тины взаимодействий между электронами могут привести к образованию пар связанных между собой электронов, обладающих противоположными значениями импульсов и спинов. Это так называемые куперовские пары. В соответствии с одной из моделей формирования куперовских пар свободный электрон зоны проводимости взаимодействует с положительными ионами решетки. По ходу движения решетка деформируется, и возникающий при этом положительный заряд притягивает другой электрон (рис. 1.3). Косвенная сила притяжения, порожденная деформацией решетки, может быть больше кулоновской силы отталкивания. При этом формируются куперовские пары, представляющие собой два электрона, движущиеся вокруг положительного заряда. Возникающее перекрытие волновых функций электронных пар усиливает квантовый фононный эффект спаривания электронов.

Рис. 13. Образование куперовской нары.

Куперовская пара представляет собой два электрона с противоположными импульсами. В целом куперовская пара имеет нулевой полный импульс, связанный с процессами испускания и поглощения фонона. Теоретически предсказано и экспериментально доказано, что спины двух электронов также противоположно направлены. Куперовские пары электронов обеспечивают работу приборов и устройств сверхпроводящей криоэлектроники.

Таким образом, свободные электроны при определенных условиях становятся связанными. Вместе с тем связанные электроны присутствуют во всех веществах в качестве структурных составляющих в атомах, молекулах, элементах.

Элементом называется вещество, все атомы которого имеют одинаковое число протонов в ядре и, следовательно, одинаковое число связанных электронов, обращающихся по орбитам. Некоторые элементы, например золото, серебро, железо и медь, встречаются в природе в свободном состоянии; большая же часть элементов обычно встречается в виде химических соединений с другими элементами.

Уникальное свойство протоплазмы — ее живое состояние — не связано с присутствием в ней какого-то редкого или ей одной присущего элемента. Масса человеческого тела на 96% состоит из четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота. Еще 3% массы тела составляют четыре других элемента — кальций, фосфор, калий и сера. Иод, железо, натрий, хлор, магний, медь, марганец, кобальт, цинк содержатся в небольших количествах. Все эти элементы, особенно четыре первых, в изобилии встречаются в атмосфере, земной коре и морях.

Жизнь обусловлена сложными взаимодействиями этих обычных, широко распространенных элементов. Атомы каждого элемента содержат определенное число связанных электронов. От распределения и поведения электронов, которые находятся на внешней орбите, зависят химические свойства атома.

Вместе с тем связанные атомы элемента способны переходить из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние под воздействием излучения. Если атом в основном состоянии (рис. 1.4, черный кружок слева вверху) поглощает фотон (волнистая пунктирная стрелка), то он возбуждается или переходит в более высокое возбужденное состояние (белый кружок справа вверху). Возбужденный атом (в середине слева) может излучить затем энергию спонтанно, эмитируя фотон и возвращаясь в основное состояние (справа в середине). Возбужденный атом (слева внизу) может также быть вынужден к эмиссии фотона, если он испытает воздействие такого же внешнего фотона. Таким образом, в дополнение к вынуждающему.

Рис. 1.4. Процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучений.

фотону теперь имеется второй фотон той же самой длины волны (справа внизу), а атом возвращается в основное энергетическое состояние. Свойства связанных электронов широко используются при разработке и создании приборов квантовой электроники и оптоэлектроники.

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния можно описать квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором.

В последние годы появились новые идеи формирования сигналов не только на основе заряда и массы электронов. В традиционной электронике понятие логического нуля или единицы определяется наличием электрического тока или потенциала в определенной точке схемы. В определенном классе веществ, а именно в топологических изоляторах (topological insulators) отсутствует электрическое сопротивление в приповерхностном слое материала. Это позволяет избежать выделения тепла при прохождении электрического тока.

Логические нуль и единица формируются положением спина. Например, нуль — «спин-вверх», единица — «спин-вниз» и наоборот. Эта технология получила название спинтропика, или спиновая электроника (Spintronics). Спинтроника позволяет устанавливать и определять значение спина электрона, которое и является носителем единицы двоичной информации. Таким образом, спинтроника развивается как раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах «ферромагнетик — парамагнетик» или «ферромагнетик — сверхпроводник».

В таких гетероструктурах источником спин-поляризованных электронов (спин-инжектором) является проводящий ферромагнетик (проводник или полупроводник), обладающий в намагниченном состоянии спонтанной, спиновой упорядоченностью носителей заряда; в ферромагнитных полупроводниках достигаются уровни спиновой поляризации значительно более высокие (до 100%), чем в металлах (до 10%). Во внешнем магнитном поле возможно зеемановское расщепление зоны проводимости в полупроводнике с формированием двух зеемановских энергетических подуровней. При инжекции спин-поляризованных электронов в такой полупроводник возможны управляемые переходы как на верхний, так и на нижний уровень. Появляется возможность создания инверсии населенности и, соответственно, генерации когерентного электромагнитного излучения с управлением частотой магнитным полем. Другие эффекты возникают в джозефсоновских переходах с изолирующим ферромагнетиком: в этом случае возможно управление туннелированием с помощью внешнего магнитного поля.