ГЕНЕРАТОР, ИМЕЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
GENERATOR WITH ELEMENT HAVING NEGATIVE RESISTANCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к генератору, а конкретнее к генератору на основе инжекции тока, генерирующему электромагнитные волны, включающие в себя, по меньшей мере, часть частотной составляющей в области частот от миллиметрового диапазона длин волн до терагерцового диапазона частот (более 30 ГГц и не более 30 ТГц). Конкретнее настоящее изобретение относится к генератору на основе инжекции тока, имеющему элемент с отрицательным сопротивлением, такой как элемент, имеющий структуру резонансного туннельного диода.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Разработаны чувствительные неразрушающие методы, использующие электромагнитные волны в области частот от миллиметрового диапазона длин волн до терагерцового диапазона частот (более 30 ГГц и не более 30 ТГц). Области применения электромагнитных волн этих частотных диапазонов охватывают методы формирования изображений, использующие аппарат для безопасного рентгеноскопического исследования, который заменяет рентгеновский аппарат. Разработаны такие методы, как спектроскопический метод изучения физических свойств вещества, таких как состояние соединения, путем определения спектра поглощения и/или комплексной диэлектрической постоянной внутри вещества, метод биомолекулярного анализа и метод оценки концентрации и подвижности носителей. Дополнительно обсуждается разработка устройства исследования для исследования наличия или отсутствия вещества, показывающего спектр поглощения, характерный для терагерцового диапазона, или так называемый характерный спектр. Такое устройство исследования может работать с высокой скоростью исследования, когда оно отдельно обеспечено генераторами, имеющими соответствующие частоты колебаний (обычно от 0,1 ТГц до 10 ТГц) вблизи характерного спектра исследуемого вещества, поскольку это не вызывает никаких изменений во временной области или в частотной области.
Средство для генерации терагерцовой волны включает в себя средства, выполненные с возможностью генерации импульсной волны путем облучения фотопроводящего элемента светом от фемтосекундного лазера, и средства для параметрических колебаний, выполненные с возможностью генерации волны конкретной частоты путем облучения нелинейного кристалла светом от наносекундного лазера. Однако все подобные средства основаны на оптическом возбуждении и сталкиваются с ограничениями по уменьшению размеров и сокращению потребления энергии. Таким образом, обсуждаются структуры, использующие квантово-каскадный лазер или резонансный туннельный диод (RTD) в качестве элемента на основе инжекции тока для работы в диапазоне терагерцовых волн. В частности, прилагаются усилия к исследованию последнего варианта элемента или элементов типа резонансного туннельного диода, так как они работают вблизи 1 ТГц при комнатной температуре (см. патентную литературу PTL 1 и непатентную литературу NPL 1). Такие элементы обычно выполняются с использованием квантовых ям, включающих в себя GaAs/AlGaAs или InGaAs/InAlAs, получаемых на подложке из GaAs или InP методом эпитаксиального роста, который основан на соответствии кристаллических решеток. Элемент совершает колебания, когда напряжение смещается вблизи области отрицательного сопротивления вольт-амперной (V-I) характеристики, как показано на фиг.5. Плоская антенная структура, выполненная на подложке, как показано в PTL 1, используется в качестве резонаторной структуры для совершения колебаний.
bias
bias
Такой элемент RTD показывает усиление в широком диапазоне частот. Следовательно, необходимо подавлять паразитные колебания, свойственные резонансным точкам относительно низких частот, отличных от желаемого колебания, которое генерируется в результате подключения к элементу RTD цепи смещения питания. Паразитные колебания подавляют, как показано на фиг.6, подключением резистора в PTL 1 или диодного элемента 63 в NPL 1, параллельно элементу 64 RTD. Заметим, что на фиг.6 позиция 60 обозначает линию передачи, которая также действует как щелевая антенна для вывода выходного колебания, а позиции 61 и 62 обозначают емкостные элементы в конечных секциях линии передачи. Генератор образует элементы с позициями 60, 61, 62 и 64. Позиция 65 обозначает источник питания (V) для подачи напряжения к элементу 64 RTD, а 66 показывает сумму (R) внутреннего сопротивления источника 65 питания и сопротивления, которое имеет линия 67 подключения. Цепь смещения питания сформирована элементами 65, 66 и 67.
Список библиографических ссылок
Патентная литература
PTL 1: Выложенная японская заявка на патент номер 2007-124250
Непатентная литература
NPL 1: IEEE Electron Device Letters, vol.18, 1997, pp.218-221
NPL 2: IEEE Microwave and Guide Wave Letters, vol.5, NO.7, July 1995, pp.219-221
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способом из PTL 1 отрицательное сопротивление устраняют в области низких частот, чтобы не генерировать никакого усиления и подавить любое паразитное колебание путем замены диодного элемента 63 резистивным элементом, сопротивление которого по существу такое же, как и отрицательное сопротивление элемента 64 RTD на фиг.6. Низкая частота, как принято в этом документе, по существу частота порядка кГц и МГц, хотя она может и изменяться в зависимости от длины кабеля для подключения цепи смещения питания к элементу RTD. Однако значение сопротивления резистивного элемента, как описано выше, находится в пределах около нескольких десятков Ом (Ω), а протекающий к резистивному элементу постоянный ток, который не участвует в возбуждении колебаний, создает ограничения для улучшения эффективности преобразования энергии. С другой стороны, как описано выше, в NPL 1 используют диодный элемент 63 для замены резистивного элемента. Появление любых паразитных колебаний предотвращается путем выбора такого значения дифференциального сопротивления, которое может исключить отрицательное сопротивление для диодного элемента 63 вблизи напряжения смещения, когда элемент RTD возбуждают для генерирования колебаний. С такой компоновкой обеспечивается протекание постоянного тока по другому элементу, а не по элементу RTD, что создает ограничение для уменьшения потребления энергии.
Кроме того, и резистивный элемент, и диодный элемент при потреблении электрической энергии излучают тепло, поскольку по ним течет электрический ток. Тогда, в результате, нагревается элемент RTD, поскольку излучающие тепло элементы в целом расположены вблизи от элемента RTD, что приводит к сокращению срока службы и усиления элемента.
В аспекте настоящего изобретения генератор, согласно настоящему изобретению, содержит элемент с отрицательным сопротивлением и резонатор, к которому электрически подключен конденсатор параллельно элементу с отрицательным сопротивлением относительно цепи смещения питания, причем емкость конденсатора выбрана такой, чтобы подавлять любые паразитные колебания от цепи смещения питания и обеспечивать при резонансной частоте колебания, обусловленные элементом с отрицательным сопротивлением и резонатором.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания, в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых условные обозначения обозначают те же или аналогичные части на всех фигурах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1A изображает схематичный общий вид генератора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1B изображает схематичный вид в поперечном сечении генератора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 изображает график, показывающий зависимость между частотным диапазоном и количеством потерь энергии для описания принципа настоящего изобретения.
Фиг.3 изображает схематичный общий вид генератора согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает схематичный общий вид генератора согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 изображает схематичную диаграмму колебаний элемента с отрицательным сопротивлением.
Фиг.6 изображает схематичный вид известного генератора.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее будут подробно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения в соответствии с сопроводительными чертежами.
Для генератора, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, важно следующее. А именно - выбрать емкость конденсатора, электрически подключенного параллельно элементу с отрицательным сопротивлением относительно цепи смещения питания, так чтобы подавлять любые паразитные колебания от цепи смещения питания и обеспечивать колебания при резонансной частоте, обусловленные элементом с отрицательным сопротивлением и резонатором. Другими словами, если конденсатор выполнен как единое целое, то он выполняет подавление любых паразитных колебаний и генерирует колебания на желаемой резонансной частоте. Если, с другой стороны, конденсатор выполнен из множества частей, то эти части совместно подавляют любые паразитные колебания и генерируют колебания на желаемой резонансной частоте. На основе этой идеи генератор этого варианта осуществления имеет вышеописанную основную конфигурацию.
Согласно основной конфигурации у генератора, согласно настоящему изобретению, может быть более специфическая конфигурация, как описано ниже. Например, часть резонатора действует как два электрода элемента с отрицательным сопротивлением, а конденсатор электрически подключен параллельно электродам. Тогда емкость C конденсатора выбирают способом, который описан ниже. А именно угловую частоту среза ω=1/(CR), которая определяется общим сопротивлением R подключенной к конденсатору цепи смещения питания, выбирают такой, чтобы она была меньше, чем основная резонансная частота цепи контура обратной связи, образованной цепью смещения питания и элементом с отрицательным сопротивлением (ссылка на варианты осуществления, которые описаны в дальнейшем в данном документе). Конденсатор и элемент с отрицательным сопротивлением могут быть разделены промежутком, около 1/4 длины волны колебаний, которая соответствует резонансной частоте в терминах электрической длины, и подключены посредством линии (ссылка на первый вариант осуществления, который описан далее в данном документе). Конденсатор может включать в себя два или более конденсаторов, имеющих различные емкости и подключенных параллельно к элементу с отрицательным сопротивлением, а конденсатор, расположенный вдали от элемента с отрицательным сопротивлением, может иметь емкость большей величины (ссылка на варианты осуществления, которые описаны далее в данном документе).
Первый вариант осуществления
Первый вариант осуществления настоящего изобретения имеет структуру, образованную объединением на одной подложке элемента RTD и конденсатора большой емкости. Фиг.1A и 1B изображают эту структуру, при этом фиг.1A изображает схематичный общий вид, а фиг.1B изображает схематичное поперечное сечение, взятое в направлении 1B-1B на фиг.1A. На фиг.1A и 1B позицией 4 обозначен элемент RTD, имеющий форму столба, и структура дополнительно включает в себя эпитаксиальные слои, в том числе и квантовую яму 17 из InGaAs/AlAs или InGaAs/InAlAs, пару контактных слоев 15 и 16, а также промежуточные слои (не показаны), полученные с помощью кристаллического роста на подложке 1 из InP. Элемент с отрицательным сопротивлением выполнен с использованием полупроводниковых соединений III-V группы, таких как AlGaAs/GaAs на подложке из GaAs и AlGaN/InGaN на подложке из GaN, причем также можно использовать полупроводники IV группы, такие как Si/SiGe на подложке из Si, и полупроводники II-VI группы.
Резонатор образован из электрода 2, который к тому же действует как заземленный экран, из электрода 5, который к тому же действует как патч-антенна и источник питания и из диэлектрика 3, проложенного между ними. Предпочтение отдается только такому диэлектрику 3, который имеет низкие потери в области колебаний. Предпочтительные примерные диэлектрики включают в себя BCB (торговое название - бензоциклобутен), полиимид, полиэтилен и полиолефин, а здесь использован BCB. Как видно на фиг.1B, один из контактов элемента 4 RTD подключен к электроду 2 заземленного экрана при помощи контактного слоя 15 из n+InGaAs, в то время как другой контакт подключен к электроду 5, который превращается в патч-антенну с помощью контактного слоя 16 из n+InGaAs. Антенна 5 электрически подключена к проводнику 10 и электродам 6 и 7, которые образуют емкостный элемент, так что электропитание может со смещением подаваться к элементу 4 RTD от источника 9 электрической энергии с помощью кабельной линии 13 и электродов 2 и 7.
1
eff
eff
-7
2
В этом варианте осуществления первый конденсатор (11) Cотносительно небольшой емкости (величина порядка пФ) смонтирован вблизи элемента 4 RTD с помощью линии 10. Желательно, чтобы он был смонтирован в точке, расположенной в пределах 1/4 длины λ волны колебаний от элемента 4 RTD, чтобы надежно гарантировать стабильность запланированной длины волны колебаний генератора. Например, если частота колебаний составляет 0,5 ТГц, длина волны в свободном пространстве приблизительно равна 600 мкм, и, следовательно, электрод 6 первого конденсатора 11 расположен в точке на расстоянии около 150 мкм. В случае патч-антенны 5 достаточно, чтобы длина линии 10 была около λ/4. На самом деле, генератор спроектирован так, что его эффективная длина учитывает эффект уменьшения длины волны из-за наличия диэлектрика, так что расстояние сокращается примерно на половину расстояния в свободном пространстве, хотя на это расстояние может повлиять используемый материал. Это происходит благодаря тому, что длина, которую обычно называют длиной волны внутри трубы или электрической длиной, уменьшена на коэффициент, приблизительно равный 1/√ε, где ε - это эффективная диэлектрическая постоянная. Далее, конденсатор, который действует как первый конденсатор, частично использует диэлектрик 3, для формирования патч-антенны 5. Благодаря наличию первого конденсатора оказывается возможным генерировать колебания только желаемой частоты, препятствуя паразитным колебаниям, обусловленным линией, необходимой для обеспечения смещения в определенном промежутке. Если емкость первого конденсатора равна 1 пФ, то площадь электрода 6 около 10м, при условии что диэлектрик 3 выполнен из BCB (с относительной диэлектрической постоянной, равной 2,7) и имеет толщину 3 мкм (которая может варьироваться в зависимости от высоты столба элемента RTD). Это вычисляют, исходя из соотношения C=εS/d (где S - площадь электрода, d - расстояние между электродами и ε - диэлектрическая постоянная диэлектрика). А значит, электрод 6 может иметь стороны длиной в несколько сотен мкм.
2
2
Далее в этом варианте осуществления второй конденсатор (12) C относительно большой емкости (величиной порядка между нФ и мкФ) подключен параллельно первому конденсатору, замыкая цепь смещения первого конденсатора. Чтобы конденсатор выглядел тоньше, выбирают материал 8, имеющий большую величину диэлектрической постоянной. Можно изготовить второй конденсатор 12 таким, что он покажет емкость около 100 нФ, если использовать материал с высокой величиной диэлектрической постоянной (например, оксид титана или титанат бария), например, если относительная диэлектрическая постоянная не менее нескольких десятков, толщина около 0,1 мкм и площадь в 1 см (квадрат со стороной 1 см). В данном варианте осуществления множество конденсаторов объединены на одной и той же подложке. Хотя на фиг.1A и 1B показано, что оба электрода 6 и 7 имеют одинаковую ширину, они могут скачкообразно изменяться не только по высоте, но и по ширине, в то время как электроды 6 и 7 электрически подключены друг к другу.
1
s
1
А теперь будет подробно описан эффект подавления паразитных колебаний, со ссылкой на фиг.2, где показаны полосы частот. На фиг.2 горизонтальная ось - это ось логарифмической шкалы, где указаны шаги в 1000 Гц, для частот в диапазоне от 1 Гц до 1 ТГц. Вертикальная ось схематически в произвольно выбранном масштабе показывает величины потерь энергии в колебательном контуре и в цепи смещения питания. На фиг.2 диаграмма 23 в форме трапеции, изображенная сплошной линией, показывает характеристику, обусловленную первым конденсатором C, чтобы доказать, что потери малы при желаемой частоте колебаний, которая показана толстой сплошной линией 20 (например, 700 ГГц), но возрастают при частотах ниже желаемой частоты. Дополнительно, из-за ограничения величины емкости первого конденсатора эффект подавления мал и величина потерь энергии уменьшается при частотах ниже нескольких десятков ГГц. Это происходит потому, что фильтрующий элемент выполнен с частотой f среза, которая определяется по ниже приведенной формуле (1), где R - это величина сопротивления (14), которая равна сумме величины внутреннего сопротивления цепи смещения и величины сопротивления линии 13 кабеля, а C - это величина емкости конденсатора:
1
s
<mrow />
f=1/(C×R×2π)
(1)
s
1
s
Таким образом, полагая R≈10 Ом, частота среза, которая определяется конденсатором C, имеющим емкость 1 пФ, и резистором R, имеющим величину сопротивления 10 Ом, оказывается приблизительно равной 16 ГГц. До сих пор потери увеличивались резистивным элементом или диодным элементом из-за паразитных колебаний, которые возникают ниже частоты среза. Именно эта характеристика показана пунктирной линией 26 на фиг.2, а область окна, свободная от потерь в точке 20 колебаний, образована благодаря расположению такого элемента в точке, отдаленной от элемента RTD на расстояние, равное λ/4 для колебаний.
2
1
1
2
2
eff
0
В этом варианте осуществления паразитные колебания в области низких частот подавляются с помощью типичного трапецеидального графика, изображенного штрихпунктирной линией 24, что обусловлено вторым конденсатором 12 без использования резистивного элемента. Другими словами, если емкость конденсатора C=10 нФ, то частота 27 среза равна около 1,60 МГц, как определено выше приведенной формулой (1) (что касается C, то C+C≈C), так что частоту можно сделать меньше, чем частоту 22 колебаний цепи смещения питания. Частота колебаний, свойственная цепи смещения питания, определена условием колебаний двухконтактной цепи контура обратной связи, использующей элемент 4 RTD в качестве усилительного элемента. Другими словами, если длина линии кабеля равна L, эффективная относительная диэлектрическая постоянная, взятая по линии кабеля - ε, а скорость света равна c, то резонансная частота 22 цепи смещения питания выражается формулой (2), показанной ниже:
0
0
eff
<mrow />
f=c/λ=c/(2L√ε)
(2)
eff
Например, если для подключения используют два провода длиной L=1 м и предположительно ε=1, резонансная частота составляет около 150 МГц. Тогда в результате любые паразитные колебания, свойственные цепи смещения, можно подавить вторым конденсатором 12. Эффект среза второго конденсатора для более высокого частотного диапазона определяется диэлектриком для изготовления емкостного элемента в случае структуры MIM (металл-изолятор-металл), и можно удовлетвориться использованием диэлектрического материала, диэлектрическая постоянная которого не повышается значительно до нескольких десятков ГГц.
s
Хотя точка 21 резонанса, возможно, является результатом отражения или чего-то подобного, зависящего от дискретной величины первого и второго конденсаторов, желательно, чтобы она находилась в полосе частот подавления первого конденсатора. Из описания, данного выше со ссылкой на фиг.2, будет понятно, что, согласно настоящему изобретению, резонатор нужно сконструировать так, чтобы установить соответствующую зависимость для общего последовательного сопротивления R цепи смещения, частоты колебаний, свойственной цепи смещения, и частоты среза, производимой первым и вторым конденсаторами. Другими словами, с такой компоновкой любые паразитные колебания можно подавить без использования резистивного элемента и можно минимизировать неэффективный постоянный ток, который не участвует в колебаниях.
s
s
s
s
rtd
Таким образом, конструкция элемента RTD может измениться в зависимости от сопротивления кабеля цепи смещения питания, внутреннего сопротивления источника питания и длины кабеля, и есть ограничение в том, что в области отрицательного сопротивления смещение невозможно, если значение общего сопротивления не будет меньше, чем абсолютное значение отрицательного сопротивления элемента 4 RTD. Это потому, что общее последовательное сопротивление R, свойственное цепи смещения питания, определяет наклон -1/R линии нагрузки для возбуждения элемента. Когда R больше, чем отрицательное сопротивление, или -1/R>-1/R, линия нагрузки пересекает кривую I-V элемента RTD до и после области отрицательного сопротивления, так что происходит скачкообразный переход к одной из устойчивых точек для смещения (см., например, NPL 2).
Можно следующим образом подвести итог изложенному выше. В настоящем варианте осуществления конденсатор выполнен с возможностью замены резистивного элемента и так далее. Далее емкость конденсатора определена так, чтобы обеспечить частоту среза (обратно пропорциональную произведению емкости и сопротивления), меньшую, чем резонансная частота (например, 150 МГц), которая определяется длиной цепи смещения питания и другими факторами. Это потому, что длина компоновки, отличной от цепи смещения питания, меньше, и, следовательно, частота среза будет больше, чем резонансная частота. С другой стороны, емкость пропорциональна величине диэлектрической постоянной и площади и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Диэлектрик, который выбран для формирования колебательного контура вместе с элементом RTD, должен иметь малые потери для электромагнитной волны, вызываемой колебаниями колебательного контура, а структуру колебательного контура нужно определить так, чтобы реализовать импеданс, согласующийся с воздухом. Хотя площадь нужно увеличивать для обеспечения большой емкости, слишком большая площадь нежелательна из-за того, что соответственно увеличиваются размеры иных элементов, отличных от емкостного, таких как сопротивление, а при увеличении размеров можно не достичь желаемых высокочастотных характеристик. По этой причине предоставлены первый конденсатор с емкостью, описанной выше, и второй конденсатор с иной емкостью. Любую электромагнитную волну, имеющую резонансную частоту, определенную дискретной величиной импеданса и электрической длиной между первым и вторым конденсаторами, нужно отсечь первым конденсатором, поскольку второй конденсатор не способен подавить колебания, не отсеченные первым конденсатором. Поскольку резонансная частота уменьшается при увеличении электрической длины между первым и вторым конденсаторами (см. формулу (2) выше), электрическая длина должна быть такой, чтобы первый конденсатор смог отсечь электромагнитную волну резонансной частоты.
В то время как два конденсатора, рассматриваемые как емкостные элементы двух различных типов и имеющие различные емкости, подключены параллельно, а в описанном выше варианте осуществления из соображений простоты изготовления элементов соединены ступенчато, альтернативно вблизи элемента с отрицательным сопротивлением можно целиком расположить единственный емкостной элемент, обладающий большой величиной емкости. Другими словами, единственный емкостной элемент может оказаться достаточным, когда емкость первого конденсатора можно сделать достаточно большой, а частоту среза со стороны низких частот можно сделать меньше, чем частоту в точке 22 колебаний, которая свойственна цепи смещения питания. Также в качестве альтернативы можно использовать структуру, где емкость изменяется ступенчато и, следовательно, структуру, где толщина диэлектрика изменяется ступенчато на участке подключения, а размер верхнего электрода ступенчато возрастает. Аналогичный результат можно достигнуть, используя структуру, где соединены ступенчато три или более трех конденсаторов.
С помощью этого варианта осуществления может быть предложен генератор, показывающий высокую эффективность преобразования энергии и низкий уровень теплоизлучения, использующий конденсаторы для подавления паразитных колебаний, свойственных цепи смещения питания и так далее. Тогда в результате можно реализовать генератор, имеющий структуру, способную уменьшить потребление энергии, улучшить срок службы и предотвратить любое снижение усиления. Дополнительно, используя такой генератор, можно реализовать очень компактное терагерцовое устройство формирования изображений и терагерцовое анализирующее устройство, показывающее очень низкий уровень потребления энергии.
Пример осуществления 1
p
2
Ниже будет описан конкретный пример компоновки элементов первого варианта осуществления. В этом примере элемент RTD выполнен на подложке из InP. Используется трехбарьерная структура квантовой ямы, имеющая первый барьерный слой из AlAs (1,3 нм), первый слой квантовой ямы из InGaAs (7,6 нм), второй барьерный слой из InAlAs (2,6 нм), второй слой квантовой ямы из InGaAs (5,6 нм), третий барьерный слой из AlAs (1,3 нм). Все размеры слоев, кроме слоя из AlAs, приведены в соответствие с размерами кристаллической решетки подложки из InP. С другой стороны, слой из AlAs - это деформированный слой, но его толщина меньше, чем толщина критической пленки. Разделительный слой выполнен из InGaAs без примесей, электрический контактный слой из InGaAs n-типа и контактный слой из n+InGaAs расположены сверху и снизу трехбарьерной структуры квантовой ямы. Столб элемента RTD имеет форму цилиндра с диаметром около 2 мкм. Далее с помощью явления туннелирования с участием фотонов можно получить вольт-амперную характеристику, включающую в себя плотность тока J=280 кА/см, отношение уровней экстремума, равное 3, и величину дифференциального отрицательного сопротивления, приблизительно равную -22 Ом. Электрод 5 патч-антенны имеет квадратный вид 150 мкм×150 мкм, а столб параллельно смещен на 40 мкм от ее центра в сторону от электрода 6. Резонатор изготовлен так, чтобы и резонатор патч-антенны, и элемент RTD показывали согласование импедансов. Так как размер антенны приблизительно соответствует λ/2, то частота колебаний равна около 530 ГГц.
Электроды 2 и 5 выполнены из Ti/Pd/Au (20 нм/20 нм/200 нм). Линия 10 имеет ширину 12 мкм и длину 75 мкм и спроектирована равной λ/4 относительно длины волны колебаний частоты 530 ГГц. Электрод 6 для формирования первого конденсатора выполнен в форме прямоугольника 200 мкм×1000 мкм, чтобы емкость конденсатора составляла около нескольких пФ. Для второго конденсатора диэлектрик 8 выполнен из оксида титана (толщиной 0,1 мкм) с диэлектрической постоянной, приблизительно равной 30, а электрод 7 выполнен в форме квадрата 1000 мкм×1000 мкм, так чтобы иметь емкость около 2 нФ. Далее частота среза приблизительно равна 8 МГц при подключении к цепи смещения питания с сопротивлением 10 Ом, так основная волна с частотой 530 ГГц получается без возбуждения каких-либо паразитных колебаний при длине кабеля короче чем приблизительно 18 м.
Второй вариант осуществления
2
3
Вариант осуществления 2 настоящего изобретения имеет такую структуру, что второй конденсатор установлен на той же подложке в виде отдельной микросхемы, как изображено на фиг.3. На фиг.3 номером 30 обозначено основание для установки микросхем. Подложка подготовлена покрытием электропроводящим слоем 31, таким как Au на керамической подложке из Si, AlO и AlN или на пластмассовой подложке, а для основания 30 можно выбрать металлическую пластину. Позицией 37 обозначена микросхема с элементом RTD или микросхема, объединяющая в общем корпусе элемент RTD вместе с компонентами той части, которая соответствует первому конденсатору первого варианта осуществления. Патч-антенна 33 и электрод 34 подключены посредством линии 39. Однако заметим, что емкость той части, которая соответствует первому конденсатору, должна быть больше, чем в первом варианте осуществления. Один из контактов элемента RTD подключен к электропроводящему слою 31 основания, а другой контакт подключен с помощью проводника 35 из золота к одному из электродов (36) конденсатора 38 микросхемы, который служит в качестве второго конденсатора. Хотя на фиг.3 имеется всего один соединяющий проводник 35, при необходимости можно обеспечить несколько соединяющих проводников. Другой электрод микросхемного конденсатора 38 электрически подключен к электропроводящему слою 31 основания. Резонансная точка 21 в полосе частот на фиг.2, которая возникает благодаря дискретности первого и второго конденсаторов, определяется длиной подключения соединяющего проводника 35, а частоту среза для емкости первого конденсатора нужно сделать меньше, чем частоту точки резонанса. По этой причине емкость первого конденсатора выполнена большей, чем в первом варианте осуществления.
s
Цепь 40 смещения питания подключена к электроду 36 конденсатора микросхемы и электропроводящему слою 31 основания. Этот вариант осуществления обеспечивает более высокую степень свободы, и можно подключить относительно большой конденсатор, такой как 1 мкФ, так как в данном варианте осуществления можно выбирать и устанавливать отдельные конденсаторы. Высокая степень свободы допускает увеличение длины кабеля и величины сопротивления используемой цепи смещения питания, потому что нижняя частота среза падает при увеличении емкости. Когда общее сопротивление R равно 10 Ом, как в первом варианте осуществления, и конденсатор имеет емкость 1 мкФ, частота среза приблизительно равна 16 кГц, следовательно, второй вариант осуществления обеспечивает эффект подавления любых паразитных колебаний при условии, что длина кабеля составляет порядка километра.
Пока второй конденсатор является конденсатором микросхемы, компоненты, относящиеся ко второму конденсатору, можно объединить вместе с элементом RTD, а третий конденсатор и последующие компоненты можно реализовать в отдельной микросхеме, учитывая паразитную индуктивность, обусловленную отдельными конденсаторами.
Третий вариант осуществления
Резонатор, описанный в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, - это имеющий форму полосы резонатор, образованный элементом RTD, как изображено на фиг.4. Кристаллическая структура элемента RTD имеет структуру, как у полупроводника, описанного в примере первого варианта осуществления, например слой 46, включающий в себя множество квантовых ям из InGaAs/AlAs, полученный с помощью эпитаксиального роста на подложке из InP, а 47 и 48 из n+InGaAs действуют в качестве контактных слоев. Изготавливая такую структуру в форме полосы, трудно использовать диэлектрический волновод в терагерцовом диапазоне, а предпочтительно использовать двойной плазмонный волновод, сформированный прослаиванием подложки между металлическими пластинами. По этой причине подложка 49, изображенная на фиг.4, не является эпитаксиально выращенной подложкой, а является подложкой, удерживающей эпитаксиальные тонкие пленки 46 к 48. GaAs или InP удобно использовать в качестве веществ, имеющих коэффициент расширения, близкий к коэффициенту расширения эпитаксиальной тонкой пленки. Можно также использовать подложку из Si или из керамики. Металлическую пленку 43, например тонкую пленку из Ti/Au, формируют на поверхности подложки 49 и соединяют с эпитаксиально выращенной пленкой с помощью металлических связей Au-Au (не изображено), а подложку из InP, которую используют во время эпитаксиального роста пленки, удаляют травлением.
На фиг.4 ссылочная позиция 45 обозначает диэлектрическую часть, сформированную полимером ВСВ вокруг эпитаксиального слоя, а первый конденсатор сформирован из диэлектрической части 45, верхнего электрода 41 и нижнего электрода 43. Что касается размеров компонентов, например, слой 46, включающий в себя множество квантовых ям, имеет ширину 20 мкм, а сборка, включающая в себя диэлектрическую часть 45, имеет ширину 300 мкм, в то время как длина полосы равна 500 мкм, хотя размеры можно выбирать в зависимости от эпитаксиальной структуры и требуемой частоты колебаний.
С другой стороны, диэлектрик 42, тонкий (например, тонкая пленка из оксида титана толщиной 0,1 мкм) и обладающий высокой диэлектрической постоянной, в отличие от диэлектрической части 45, формируют вокруг области, имеющей форму полосы, а второй конденсатор формируют электродом 41, проходящим от части, имеющей форму полосы, и электродом 43. Как изображено на фиг.4, цепь 50 смещения питания подключена к электроду 41 и к электроду 43. Такая структура способна подавлять любые паразитные колебания с помощью механизма, в принципе такого же, как и рассмотренный выше для вариантов осуществления, посредством высокого уровня выходного сигнала от элемента RTD без использования какого-либо резистивного элемента.
Раскрытая японская заявка на патент №2009-205673, зарегистрированная 7 сентября 2009 года, включающая в себя формулу изобретения, описание, чертежи и реферат, включена в настоящую заявку путем ссылки в ее полном объеме.
Так как многие очевидно совершенно разные варианты осуществления настоящего изобретения можно получить, не отклоняясь от истинного смысла и объема вышеизложенного, следует понимать, что изобретение не ограничено вышеизложенными конкретными вариантами осуществления данного изобретения, за исключением того, что определено в формуле изобретения.
Промышленная применимость
Данное изобретение относится к генератору, имеющему элемент с отрицательным сопротивлением для генерации электромагнитной волны (в частности, терагерцовой волны). Такой генератор может найти применение в устройстве для томографии, устройстве для спектрометрических исследований и в устройствах радиосвязи для работы в качестве части источника светового излучения.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми примерами вариантов осуществления. Объем следующей формулы изобретения следует согласовывать с наиболее широким толкованием так, чтобы охватывать все такие модификации, эквивалентные структуры и функции.
Настоящая заявка заявляет приоритет японской заявки на патент №2009-205673, зарегистрированной 7 сентября 2009 года, которая включена здесь путем ссылки в ее полном объеме.