Негатроника — направление электроники, связанное с теорией и практикой создания и применения негатронов — электронных приборов, имеющих в определённом режиме работы отрицательное значение основного дифференциального параметра (отрицательных активного сопротивления, ёмкости или индуктивности)Филинюк Н. А. Негатроника — достижения и перспективы / Н. А. Филинюк // Материалы Всесоюзной научно-технической конференции «Приборы с отрицательным сопротивлением и интегральные преобразователи на их основе» — Баку, 15-17 октября. — 1991. — с. 11-17.,Серьезнов А. Н. Негатроника / Степанова Л. Н., Филинюк Н. А. и др. // Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН. — 1995. — 315 с., ISBN 5-02-031140-5..
История У истоков негатроники стоял инженер Нижегородской радиолаборатории Олег Владимирович Лосев, который в результате проведённых им исследований, нашёл отклонения от закона Ома на участке вольт-амперной характеристике (ВАХ) полупроводникового кристалла. Это открытие в настоящее время рассматривается многими учёными как начало «Эры полупроводниковой электроники». Молодой учёный не только впервые получил на ВАХ диода нисходящий участок и дал определение понятию «отрицательное сопротивление», но и реализовал с использованием такого диода регенеративный приёмник — кристадинЛосев О. В. Детектор генератор и детектор усилитель // Телефония и телеграфия без проводов. — 1921. — № 3.. 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 нужды доказывать, что это — революционное изобретение. Вскоре 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 генерирующих кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучшим чем вакуумная лампа, но мы предсказываем, что такое время наступит». В этом предсказании не оправдались только сроки. Электронные приборы с нисходящей участком на ВАХ в дальнейшем получили название «Негатроны», а направление электроники связаное с теорией и практикой их применения было сформулировано в 1985 году, как «Негатроника» Филинюк Н. А. Перспективы развития динамической негатроники.Филинюк Н. А. // Тез. Докладов всесоюзного научно-технического семинара «Приборы с отрицательным сопротивлением». — М.: ВДНХ, 1985. — С. 6-7.
Развитие электронно-вакуумных приборов на определённом этапе отвлекло внимание специалистов от этого направления. И только изобретение в 1932 году Д. А. Рожанским и А. Н. Арсеньевой пролётного клистрона, а в 1936 (37) Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым — многорезонаторного магнетрона, стало дальнейшим толчком развития негатроники вакуумной негатроники. В этих приборах, и позже в изобретённых лампах бегущей (ЛБВ) и обратной (ЛОВ) волн, в результате взаимодействия электронов с электромагнитными полями, происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного поля и, как следствие, к появлению отрицательного сопротивленияЛебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. II. Электровакуумные приборы СВЧ / Под ред. Н. Д. Девяткова. — М. : «Высшая школа». — 1972. — С. 376.. Значительный вклад в создание таких приборов сделали Н. Д. Девятков, М. С. Нейман, С. Д. Гвоздовер, В. Ф. Коваленко, М. Т. Грехова, Ю. А. Кацман, С. А. Зусманов , И. В. Лебедев и др.
Освоение сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона обусловило поиск новых физических эффектов и полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением. Усилия прежде всего были направлены на создание полупроводниковых негатронов, обладающих отрицательным сопротивлением на сверхвысоких частотах. Началом поиска путей создания таких СВЧ-приборов было положено работой Шокли, опубликованной в 1954 годуShockley W. Negative resistance arising from transit time in semiconducting diodes // Bell System tech.J. — 1954 — v.33. — p. 799—826.. Автор выдвинул ряд идей создания полупроводниковых негатронов СВЧ диапазона, использующих различные физические механизмы. Эти идеи значительно позже были реализованы в диодах Ганна (1963) и инжекционно-пролетных диодах (1971). Исследуя эффект туннелирования через узкий обеднённый слой p-n перехода, японский физик Эсаки в 1957 году изобрёл туннельный диод. В 1958 году Род предложил использовать для генерации СВЧ электромагнитных колебаний диод с многослойной структурой, на клеммах которого, вследствие проявления эффектов времени пролёта и ударной ионизации, возникает отрицательное активное сопротивление. Воплотить в жизнь свою идею ему удалось только в 1964 году, но вследствие сложности реализации диод не нашёл практического применения. Независимо от этих работ в СССР диод, использующий аналогичный эффект, был открыт А. С. Тагером и его сотрудниками в 1959 году и получил наименование «лавинно-пролетный диод».
Все рассмотренные диоды с отрицательным сопротивлением предназначены для работы в диапазоне СВЧ и способны работать с относительно небольшими значениями мощности сигнала и рабочих токов. На низких частотах в области негатроники широкое применение получили четырехслойные p-n-p-n структуры (динисторы, тиристоры и др.) А также лавинные транзисторы, имеющие на определённом участке ВАХ отрицательное активное дифференциальное сопротивление.
Технологические методы создания планарных полупроводниковых приборов достигли высокого совершенства. Поэтому негатроны с p-n переходом имеют относительно высокую надёжность и воспроизводимость. Однако процесс их изготовления трудоёмкий, поскольку требует от двух до четырёх высокотемпературных процессов окисления и диффузии, и соответствующего количества процессов фотолитографии. Эти недостатки отсутствуют у негатронов на базе аморфных и поликристаллических полупроводниковых плёнок. Исследования в этом направлении активно велись в Азербайджанской научной школе под руководством профессоров А. М. Пашаева и Ф. Д. КасимоваПашаев А. М. Физико-технологические и схемотехнические основы негатроники / А. М. Пашаев, Ф. Д. Касимов, Н. А. Филинюк, О. Н. Негоденко // Баку: Элм, 2008.- 433 с., где в 1991 году была проведена первая Всесоюзная научно-техническая конференция по негатронике.
Общим недостатком полупроводниковых негатронов является зависимость их отрицательного сопротивления только от физических свойств полупроводниковых кристаллов и физических процессов в них. Стремление реализовать стопроцентную внутреннюю положительную обратную связь внутри кристалла накладывает жёсткие требования к технологии изготовления таких негатронов, затрудняет производство соответствующих приборов и дальнейшее их применение. Эти трудности создания полупроводниковых негатронов были частично устранены путём реализации комбинированной стопроцентной положительной обратной связи: частично внутренней, за счёт временной задержки носителей в базе транзистора; частично за счёт введения цепи внешней обратной связи. Началом этого направления можно считать 1956 год, когда Ямагучи (J. Jamaguchi) исследовал негатрон на транзисторе с общим коллектором и низкодобротной индуктивной цепью обратной связи между базой и коллектором. В дальнейшем были исследованы различные модификации такого негатрона, получившего наименование «индуктивный транзистор», потому что он оказался перспективным как полупроводниковый аналог катушки индуктивности. Следует отметить успешное применение этого негатрона в различных аналоговых СВЧ устройствах (активных фильтрах, генераторах, преобразователях частоты, мультиплексорах, активных антеннах и т. д.). Основы проектирования таких устройств были заложены в работах Дилла (Н. Dill), Адамса и Хо (D. K Adams, R. Y. C. Ho) и др.
Систематизация и дальнейшее развитие этого научного направления выполнено в работахФилинюк Н. А. Активные СВЧ фильтры на транзисторах / Н. А. Филинюк // М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.,Філинюк М. А. Основи негатроніки. Том 1. Теоретичні і фізичні основи негатроніки. Монографія. / М. А. Филинюк // УНІВЕРСУМ — Вінниця, 2006. — 456 с., где предложено рассматривать транзистор, как обобщённый преобразователь иммитанса, и обоснован физический механизм возникновения динамического отрицательного сопротивления на его клеммах в малосигнальном режиме. Другим направлением негатроники, направленным на преодоление недостатков однокристальных полупроводниковых негатронов, является создание аналогов негатронов на базе различных схемотехнических комбинаций активных приборов. Развитие это направление получило в работах С. А. Гаряинова и И. Д. Абезгауза, Х. Стэдлера, Л. H. Степановой, А. Н. Негоденко, Нильсона и Уильсона, Ф. Бенинга и др. Развитая в работах этих авторов теория синтеза аналогов статических негатронов N- и S- типа позволила создать большое количество различных схемотехнических решений для широкого класса как аналоговых, так и цифровых электронных устройств различного функционального назначения. Однако использование в таких схемам перекрёстных связей ограничивает их применение частотами до 1 ГГц.
Кроме R-негатронов ведутся исследования по созданию и применению С- и L-негатроновБенинг Ф. Отрицательные сопротивления в электронных схемах / Ф. Бенинг // М.: Сов. радио, 1975. — 288 с.,Філинюк М. А. LC-негатрони та їх застосування : монографія / М. А. Філинюк, О. О. Лазарєв, О. В. Войцеховська // Вінниця : ВНТУ, 2012. — 308 с. — ISBN 978-966-641-452-9.Более подробно история развития научного направления «Негатроника» изложена вФилинюк Н. А. Негатроника. Исторический обзор / Н. А. Филинюк // Электронная библиотека «Наука и техника». — Режим доступа: http://n-t.ru/tp/in/nt/htm.
Классификация негатронов Негатрон — это электронный прибор, обладающий в определённом режиме отрицательным значением основного дифференциального параметра. В настоящее время находит применение три вида негатронов: R-негатрон; L-негатрон; C-негатрон (рис.1).
«R-негатрон» — это электронный прибор, у которого в определённом режиме дифференциальное сопротивление , где и — напряжение и ток.
«L-негатрон» — это электронный прибор у которого в определенном режиме дифференциальная индуктивность , где — потокосцепление.
«С-негатрон» — это электронный прибор у которого в определенном режиме дифференциальная емоксть , где — заряд.
Перечисленные условия выполняются на участке АБ у статических негатронов, имеющих нелинейную вольт-амперную (для R-негатронов), вебер-амперную (для L-негатронов) или вольт-кулонную (для С-негатронов) характеристику (рис. 2).
К таким негатронам, в частности, относятся туннельные диоды и тиристоры. В зависимости от вида нелинейной характеристики все статические негатроны делятся на N-типа (а, в, д) и S-типа (б, г, е).
Имеются негатроны у которых на статической характеристике отсутствует падающий участок, а отрицательный дифференциальный параметр (например сопротивление) наблюдается только в определённом диапазоне частот (рис. 3).
Такие негатроны называются динамическими. К ним в частности относятся инжекционно-пролетные диоды и магнетроны. Появление отрицательного сопротивления (ёмкости или индуктивности) на клеммах негатрона связано с процессами, которые приводят к возникновению положительной обратной связи. Если эти процессы происходит только внутри негатрона, тогда он относится к физическим негатронам. Например лавинно-пролетный диод и динисторы.
Если используется частично внутренний физический механизм, а частично положительная обратная связь, обеспечивается внешней цепью, такие негатроны называются комбинированными. Например, индуктивный или ёмкостной транзистор.
Падающий участок на вольт-амперной характеристике можно получить путём использования 100 % внешней положительно обратной связи. Такие схемы получили название — «схемотехнические аналоги негатрона».
Большинство негатронов является двухэлектродная приборами, но находят применение также многоелектродние негатроны, в частности тиристоры, однопереходные и лавинные транзисторы.
Полупроводниковые негатроны и их применение