СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR GENERATION OF MICROWAVE ELECTROMAGNET OSCILLATIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к твердотельной (полупроводниковой) электронике сверхвысоких частот и может быть использовано для генерации, а также для синхронизации, детектирования и усиления сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний и волн. Изобретение основано на использовании электронно-колебательных центров (ЭКЦ) и связанных с ними электронно-колебательных переходов в полупроводниковых материалах, на использовании способности ЭКЦ обеспечивать эффективное взаимодействие электронов и дырок с колебаниями кристаллической решетки (с фононами) и синхронизировать с внешним воздействием свои колебания. Другими словами, изобретение основано на использовании сильного электрон-фононного взаимодействия на ЭКЦ в полупроводниковых материалах.
Теоретические основы современной твердотельной электроники содержат общеизвестное адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера [1], обычно используемое при решении уравнения Шредингера для кристалла. В этом приближении считают, что исключена возможность обмена энергией между электронами и ядрами атомов в кристаллах. Очевидно, что адиабатический принцип Борна-Оппенгеймера ограничивает круг доступных для исследования и применения физических процессов в материалах. Действительно, П.Дирак впервые показал [2], что данный адиабатический принцип, вообще говоря, не выполняется, а дальнейшие исследования [3, 4] упрочили понимание ограниченности адиабатического подхода к проблеме твердых тел вообще и к твердотельной электронике в частности. В связи с этим существующую, доминирующую в науке и технике твердотельную электронику материалов, основанную на адиабатическом приближении Борна-Оппенгеймера, можно обоснованно называть адиабатической электроникой. Эта адиабатическая электроника в принципе не способна дать ответ на многие вопросы о природе кристаллов и физических явлениях в них, таких как сверхтеплопроводность, гиперпроводимость, сверхпроводимость, увлечение электронов фононами при дебаевых температурах фононов. Она ограничивает изучение и применение материалов, что, в частности, связано с использованием адиабатического подхода.
Напротив, заявленное изобретение использует принципиальную возможность обмена энергией между электронами и ядрами атомов в материалах. Такая электроника выходит за пределы адиабатического принципа (адиабатического приближения Борна-Оппенгеймера). Ее можно определенно называть неадиабатической твердотельной электроникой. Всеобъемлющие исследования неадиабатической электроники материалов, насколько известно, пока не проведены. В средине прошлого века были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые следует относить к неадиабатической электронике, связанные с изучением центров окраски в щелочно-галлоидных кристаллах. В этих работах изучены электронно-колебательные центры (ЭКЦ) в диэлектрических кристаллах. Возможность существования ЭКЦ в полупроводниках тогда подвергалась сомнению, а соответствующие исследования практически не выполнялись десятилетиями. Между тем оказалось, что именно в полупроводниках ЭКЦ определяют многие физические свойства, которые в рамках адиабатической электроники описать в принципе не возможно, хотя эти свойства важны как для науки, так и для технических применений. К этой неадиабатической электронике относится заявленное изобретение и некоторые уже известные технические решения, в которых нарушения адиабатического принципа обеспечивают именно ЭКЦ [5].
Локальные центры в кристаллах называют электронно-колебательными центрами (ЭКЦ), если их равновесные положения и частоты колебаний зависят от их электронного состояния. Переходы электронов на энергетические электронно-колебательные уровни ЭКЦ сопряжены с неизбежным участием колебаний кристаллической решетки, фононов, а также собственных (Inherent, I-) колебаний атомных ядер в атомах материалов и поэтому их называют электронно-колебательными переходами. ЭКЦ в кристаллах создают канал обмена энергией между электронами и ядрами атомов при посредстве фононов и собственных (I-) колебаний атомных ядер, а технические решения, использующие такой энергетический обмен, представляют собой принципиально новую неадиабатическую твердотельную электронику.
Уровень техники
В настоящее время известны и реально применяются различные способы генерации, усиления, синхронизации и детектирования СВЧ электрических колебаний и волн различной мощности. Для этих целей используют разнообразные электровакуумные приборы: радиолампы, клистроны, лампы бегущей и отраженной волны, магнетроны. Для таких же целей используют твердотельные полупроводниковые приборы и интегральные схемы, такие как СВЧ-транзисторы и СВЧ интегральные схемы, туннельные полупроводниковые диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Нужно сказать, что в России пока нет свих-транзисторов с выходной мощностью, достигающей 10 Ватт и более, способных работать на частотах выше 10 ГГц с удовлетворительными параметрами.
В последние годы стали широко применять фазированные антенные решетки (ФАР) в бортовых и наземных СВЧ-локаторах гражданского и специального назначения. В связи с этим возникли потребности в малогабаритных, но достаточно мощных, надежных и стабильных СВЧ-генераторах. В таких устройствах предпочитают использовать традиционный способ генерации СВЧ-колебаний с помощью полупроводниковых транзисторов. Применяемые для таких целей транзисторы должны удовлетворять жестким требованиям: предельной частотой усиления выше 10 ГГц, низкими собственными шумами, мощностью генерации не менее 10 Вт, высокой температурной стабильностью и надежностью. Выпускаемые нашей промышленностью транзисторы, как правило, не удовлетворяют совокупности таких требований и поэтому в СССР, а теперь в России уже давно и практически безуспешно ведутся разработки транзисторов, предназначенных для указанных применений. Как правило, это - приборы на основе полупроводников с широкими запрещенными энергетическими зонами (транзисторы на основе широкозонных полупроводников) и с высокими дрейфовыми подвижностями электронов (и дырок). В частности, в НИИ «Пульсар» велись и ведутся разработки транзисторов на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP). Выходную мощность таких приборов не удалось поднять выше 2-3 Вт. Затем стали разрабатывать транзисторы на основе гетероструктур с квантовыми ямами и с высокой дрейфовой подвижностью электронов, например на гетероструктурах GaAl/GaAs. Полевые транзисторы, изготовленные на таких структурах (НЕМТ-транзисторы), обладают приемлемой предельной частотой генерации, сравнительно низкими собственными шумами, довольно высокой крутизной и стабильностью. За рубежом и в России (НИИ СВЧ полупроводниковых приборов РАН) ведутся разработки НЕМТ малошумящих СВЧ-транзисторов на основе полупроводниковых соединений нитрида галлия (GaN) и нитрида алюминия (AlN). Промышленных образцов таких транзисторов в России пока не производят, а зарубежные поставщики таких транзисторов резко ограничивают объем поставок, чтобы препятствовать использованию таких приборов в Российской специальной технике.
Внутренние шумы полупроводниковых приборов в основном вызваны флуктуациями движений носителей электрических зарядов по допустимым для них степеням свободы. В соответствии с термодинамикой и статистической физикой на каждую степень свободы частицы при абсолютной температуре Т приходится средняя энергия, равная kT/2, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, а на три степени свободы электрона (дырки) приходится энергия 3kT/2. Флуктуации этой энергии электронов в полупроводниковых материалах вызывают определенный уровень шумов приборов, созданных на этих материалах. Один из путей снижения собственных внутренних шумов (не считая охлаждения материала) состоит в уменьшении числа степеней свободы подвижных электронов. Так, в плоских полупроводниковых гетероструктурах создают двумерные слои проводящих электронов, где они имеют только две степени свободы (2D электронный газ) и, соответственно, меньшие шумы. Еще меньшие шумы создают электроны в одномерных проводниках (в квантовых нитях), где они имеют только одну степень свободы. Однако создание квантовых нитей и мощных приборов на их основе в настоящее время затруднительно. Изготовление приборов на двумерном электронном газе в гетероструктурах также представляет собой сложную задачу, которая решается различными научными организациями. Соответствующие способы генерации СВЧ-колебаний сложны, дорогостоящи и не всегда отвечают поставленным техническим задачам.
Таким образом имеется насущная необходимость в создании способов (и устройств, реализующих такие способы), предназначенных для генерации (электрических) электромагнитных СВЧ-колебаний и волн с достаточной мощностью и низким уровнем шумов в твердотельном исполнении, позволяющих детектировать, синхронизировать и усиливать СВЧ-колебания.
Аналоги и прототип изобретения
В качестве аналога изобретения следует указать способ генерации СВЧ-колебаний, использующий диод Ганна [6]. Действие диода Ганна основано на переходе электронов в сильных электрических полях из одного минимума зоны проводимости полупроводникового материала в другой минимум зоны проводимости, лежащий при большей энергии, где эффективная масса электрона больше, чем в первом минимуме. Вольтамперная характеристика полупроводникового материала в диоде Ганна в области сильных электрических полей содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, вследствие чего в материале возникает электрическая неоднородность, электрическая неустойчивость в виде подвижных электрических доменов. Рождение и дрейф электрических доменов между электродами диода вызывает колебания тока в его внешней цепи. Период таких колебаний обычно соответствует СВЧ диапазону. Однако по уровню внутренних шумов, по стабильности частоты генерации и по долговечности диода и его надежности этот способ генерации уступает способам, использующим транзисторы.
-2
2
В качестве прототипа заявленного изобретения целесообразно указать наиболее близкий к изобретению по совокупности признаков способ генерации СВЧ-колебаний, реализованный в лавинно-пролетных диодах [6]. Вольтамперная характеристика лавинно-пролетного диода (ЛПД) не содержит участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, как и в заявленном изобретении. В прототипе используют образец полупроводникового материала толщиной около 15 мкм, на плоских поверхностях образца устанавливают электрические контакты к материалу площадью до 10 см, один из которых обычно делают выпрямляющим, способным обеспечить инжекцию электронов в материал, образец с электродами устанавливают в согласованный с ним резонатор, волновод или другое (резонансное, замедляющее) устройство, между электродами прикладывают электрическое напряжение такой полярности, при которой происходит инжекция электронов в материал через выпрямляющий контакт, и создают в материале электрическое поле с напряженностью, сравнимой с напряженностью поля электрического пробоя полупроводникового материала. В результате, в материале (и в связанной с ним замедляющей системе) возникают СВЧ-колебания с мощностью от 1 до сотен Вт. На частоте 50 ГГц для Si материала прототип обеспечивает коэффициент полезного действия не более 20% при минимальном шумовом отношении 22 дБ, которое при увеличении выходной СВЧ-мощности увеличивается до 55 ДБ. Заметим, что в НЕМТ-транзисторах шумовое отношение составляет единицы дБ. Такое различие шумовых параметров в основном связано с наличием процессов рекомбинации в ЛПД и с практическим отсутствием рекомбинации в НЕМТ-транзисторах.
Кроме того, способы генерации СВЧ электрических колебаний, основанных на использовании эффекта Ганна или на использовании ЛПД, не позволяют с достаточной точностью и стабильностью синхронизировать фазы колебаний двух или большего числа генераторов, работающих на этих принципах, хотя такая синхронизация нескольких генераторов в принципе желательна, например, в системах фазовых антенных решеток.
Критика прототипа
Таким образом, аналоги и прототип изобретения обладают высоким уровнем собственных шумов и не позволяют синхронизировать фазы СВЧ-колебаний двух или нескольких устройств (генераторов), основанных на этих способах.
Сущность изобретения
Заявленное изобретение имеет своей целью создание способа генерации электромагнитных СВЧ-колебаний и волн с низкими внутренними шумами, обеспечивающего синхронизацию фазы колебаний и позволяющего детектировать и усиливать СВЧ-колебания.
min
max
12
-3
-17
-3
3
Указанная цель изобретения достигается тем, что согласно п.1 формулы изобретения используют полупроводниковый материал, например, в форме промышленной пластины, на поверхности или в объеме материала размещают электроды, образующие выпрямляющие контакты к полупроводнику, например контакты металл-полупроводник (контакты Шоттки), расстояние между электродами D выбирают в пределах от D=0,2 мкм до D=400 мкм, до, после или во время нанесения электродов в материал между электродами вводят электронно-колебательные центры в концентрации от 2·10 см до 2·10 см, устанавливают электромагнитную связь содержащего ЭКЦ материала между электродами с СВЧ резонансной системой (с колебательным контуром, резонатором, волноводной линией), имеющими резонансную частоту в пределах от 1 ГГц до частоты, (S+2)-кратной частоте акустического фонона, участвующего в электронно-колебательных переходах (процессах) в материале, где S - константа связи электронов с фононами, между электродами прикладывают электрическое напряжение и создают в материале ток и электрическое поле со средней напряженностью между 10 В/см и напряженностью поля электрического пробоя материала, в результате в материале (и в резонансной системе, с которой связан материал) возникают электромагнитные СВЧ-колебания и волны.
Согласно п.2 формулы изобретения в способе по п.1 ЭКЦ вводят только в обедненную область или в части обедненной области материала между электродами, например в прилегающие к электродам части материала.
зв
зв
Согласно п.3 формулы изобретения в способе по п.2 формулы с целью увеличения мощности СВЧ-колебаний (с целью увеличения коэффициента полезного действия) выбирают расстояние (расстояния) (W) от материала между электродами до ограничивающей (ограничивающих) материал поверхности (поверхностей) таким, чтобы оно удовлетворяло (они удовлетворяли) условию (условиям) акустоэлектрического синхронизма, то есть было равно или кратно W=ϖV/4π, где V - скорость звука вдоль направления (направлений) W и ϖ - циклическая частота СВЧ-генерации.
Согласно п.4 формулы изобретения в способе по п.2 с целью увеличения генерируемой СВЧ-мощности и уменьшения уровня шумов в материале между электродами создают магнитное поле с индукцией от 0 до 2 Тл, направленное вдоль линий тока в материале между электродами.
2
Согласно п.5 формулы изобретения в способе по п.2 с целью увеличения мощности СВЧ-колебаний и снижения внутренних шумов в материале создают магнитное поле, направленное по нормали к линиям тока в материале между электродами с индукцией от 0 до 4 ϖm/e, где ϖ - циклическая частота СВЧ-генерации, m - эффективная масса носителя заряда в материале, е - заряд электрона.
Согласно п.6 формулы изобретения в способе по п.2 с целью изменения, регулирования генерируемой СВЧ-мощности размещают дополнительный полевой электрод или несколько дополнительных полевых электродов, например, образующих выпрямляющие контакты к материалу между электродами, между материалом и дополнительными электродами или между дополнительными электродами прикладывают напряжения смещения величинами менее напряжения пробоя контакта при обратной полярности и не более ϕ/е при прямой полярности смещения на контакте, где ϕ - высота потенциального барьера в контакте и е - заряд электрона.
Согласно п.7 формулы изобретения в способе по п.6 с целью синхронизации фазы СВЧ-колебаний между двумя или несколькими электродами или между одним или несколькими электродами и материалом прикладывают переменное электрическое напряжение синхронизации с частотой и заданной фазой СВЧ-генерации или в заданные моменты установления нулевой фазы СВЧ-генерации прикладывают короткие импульсы напряжения длительностью менее 2 π/ϖ, где ϖ - циклическая частота СВЧ-генерации.
Согласно п.8 формулы изобретения в способах по п.7 с целью регулирования частоты или фазы СВЧ-колебаний изменяют частоту или фазу напряжения синхронизации.
С
c
Согласно п.9 формулы изобретения в способах по пп.1-8 с целью осуществления бесконтактного оптического регулирования СВЧ-мощности материал между электродами освещают в спектральном диапазоне оптического поглощения ЭКЦ или материала или в спектральном диапазоне оптического поглощения и ЭКЦ и материала и изменяют интенсивность освещения в пределах от I=0 до I=N/(ξτ), где N - эффективное число электронных состояний в зоне проводимости, ξ, - коэффициент оптического поглощения и τ - время жизни электронов в материале между электродами.
3
4
Согласно п.10 формулы изобретения в способе по п.9 с целью детектирования или усиления СВЧ-колебаний в материале между электродами создают ток и напряженность электрического поля, соответствующую предгенерационному режиму (т.е. началу суперлинейного участка вольтамперной характеристики материала, расположенному обычно в области электрических полей с напряженностью примерно от 10 В/см до 10 В/см), подлежащий (подлежащие) детектированию или усилению СВЧ-сигнал (сигналы) подают на дополнительный (дополнительные) электроды или направляют непосредственно в материал между электродами СВЧ или (и) оптический сигнал (сигналы), в результате в материале и в резонансной системе формируются СВЧ-колебания, содержащие информацию о детектируемом или усиливаемом сигнале в виде амплитуды и фазы генерируемых СВЧ-колебаний и волн.
Заявленное изобретение характеризуется совокупностью отличительных признаков. А именно: размещением на поверхности или в объеме полупроводникового материала электродов, образующих выпрямляющие контакты с материалом, выбором определенного расстояния между электродами, введением в материал электронно-колебательных центров в определенной концентрации, определенным расстоянием от материала между электродами и поверхностями полупроводникового материала, созданием в материале между электродами электрического тока и напряженности электрического поля определенной величины, размещением дополнительных (полевых) электродов, образующих выпрямляющие контакты к материалу, приложением к полевым электродам постоянных и переменных напряжений, освещением материала в определенной спектральной области с определенной интенсивностью, созданием в материале магнитного поля определенной ориентации и напряженности, манипулированием полярностью напряжений на полевых электродах и их величиной в определенных пределах.
Таким образом, заявленный способ генерации сверхвысокочастотных электрических колебаний соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение заявленного способа генерации сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не выявило технических решений, обладающих указанной совокупностью отличительных признаков. Это позволяет сделать обоснованный вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "существенные отличия".
Действительно:
Известно, что в кристаллах могут существовать и распространяться акустические (А), оптические (О) [7-8], а также собственные (Inherent, I-) [9-11] упругие колебания и волны таких колебаний. Акустические колебания представляют собой периодические во времени смещения элементарных ячеек кристалла (центров масс ячеек) друг относительно друга (относительно центра масс кристалла) и могут существовать как в простых кристаллах, когда элементарная ячейка содержит один атом, так и в сложных кристаллах, когда элементарная ячейка содержит несколько атомов. Оптические колебания кристалла (кристаллической решетки) представляют собой периодические во времени смещения атомов друг относительно друга внутри элементарной ячейки (смещения атомов относительно центра масс ячейки) и могут существовать в кристаллах, имеющих в ячейке два или более двух атомов. Собственные (Inherent, I-) колебания (α, β и γ типов) представляют собой периодические во времени смещения ядра атома относительно его электронной оболочки (относительно центра масс ячейки) и могут существовать в любых молекулах и кристаллах. Элементарные кванты акустических и оптических колебаний и волн называют фононами, I-колебания также квантованы. Энергия кванта I-колебаний значительно (в 5-10 раз) превышает максимальную энергию акустического фонона и превышает (в 4-5 раз) максимальную энергию оптического фонона. Эти типы колебаний обычно описываются в приближении линейной связи между смещениями составляющих кристалл частиц и возникающими при этом силами. Соответственно, каждый атом в кристалле можно представить себе как два связанных осциллятора. Один из этих осцилляторов отражает колебания атома с частотами фононов (р), а второй осциллятор - это собственный (Inherent, I-) осциллятор, отражающий периодические смещения ядра в атоме с циклической частотой I-колебаний (ω).
Чаще всего полагают, что смещения атомов в кристалле и вызываемые ими упругие силы связаны друг с другом линейно, т.е. их колебания являются гармоническими. В таком приближении классическое уравнение движения атома в узле кристаллической решетки в наиболее общем виде модно записать следующим образом:
2
где х - смещение атома из положения равновесия, М - масса атома, коэффициент g>0, F' - амплитуда внешней силы, возникающей вследствие смещения ядра атома относительно электронной оболочки с циклической частотой I-колебаний (ω). Поделив обе части уравнения (1) на М и обозначив r=g/2M, p=k/M,  F=F'/M, запишем его в виде
Если r, р и F не зависят от времени, то данное уравнение с постоянными коэффициентами описывает вынужденные колебания затухающего гармонического осциллятора [12], а его решение можно записать следующим образом:
где амплитуда вынужденных колебаний
зависит от затухания r и от частот p и ω.
Коэффициент r описывает затухание колебаний или потерю осциллятором колебательной энергии, р - циклическая частота акустической волны, т.е. частота фонона в нашем случае, ω - частота I-колебаний ядра в атоме материала.
Изменение фазы (δ) вынужденных колебаний относительно фазы внешней силы описывается следующими соотношениями:
-rt
Из выражения (3) следует, что с течением времени t при r>0 свободные колебания, описываемые слагаемым, содержащим множитель е, быстро затухают и прекращаются, однако возникают и будут происходить только вынужденные колебания с фазой, описываемой выражениями (5). Из выражений (4) и (5) видно, что сдвиг фазы δ вынужденных колебаний относительно фазы вынуждающей силы жестко определяется циклической частотой собственных колебаний ЭКЦ (ω), циклической частотой связанных с ЭКЦ фононов (р) и затуханием колебаний (r). Таким образом имеется реальная возможность создавать вынужденные колебания ЭКЦ с заданной фазой, определяемой амплитудой и фазой внешнего вынуждающего воздействия на ЭКЦ. В нашем случае роль внешнего воздействия выполняет подводимое к дополнительным электродам СВЧ или импульсное напряжение. Эти напряжения создают в определенные моменты обеднение материала под дополнительным электродом или инжекцию носителей заряда через контакт в материал, тем самым влияют на процесс рекомбинации носителей зарядов на ЭКЦ, следовательно, на фазу генерируемых СВЧ-колебаний. Эта возможность управления СВЧ-колебаниями ЭКЦ предложена для использования в п.5 и 6 формулы изобретения для детектирования и синхронизации генерируемых СВЧ-колебаний и волн.
Из выражения (4) видно, что амплитуда вынужденных колебаний Н прямо связана с амплитудой вынуждающей силы F (при определенных значениях других параметров: р, ω, r), что позволяет использовать данный способ для усиления СВЧ-колебаний и волн.
Если циклические частоты колебаний ЭКЦ (ω) и фононов (р) в формулах (4 и 5) поменять местами, то физический смысл формул не изменится. Следовательно, техническую функцию синхронизирующего сигнала могут выполнять и собственные колебания ЭКЦ по отношению к фононам и фононы по отношению к колебаниям атомных ядер в ЭКЦ. Поэтому амплитуду и фазу вынужденных колебаний ЭКЦ можно изменять, изменяя либо амплитуду и фазу собственных колебаний ЭКЦ либо изменяя амплитуду и фазу связанных с ЭКЦ фононов. Эта особенность физических свойств содержащих ЭКЦ материалов используется в заявленном изобретении для синхронизации и изменения фазы генерируемых СВЧ-колебаний, а также для усиления СВЧ-колебаний.
Анализ уравнения (2) и отыскание его решения (3) в общем виде затруднительно. Поэтому рассматривают частные случаи. Рассмотрим (идеализированный) важный случай отсутствия затухания, когда r=0. В реальных случаях коэффициент r не обращается в ноль, с чем связано расширение дискретных частот колебаний в частотные полосы определенной ширины, а также ограничения амплитуд колебаний, что способствует устойчивости решений уравнения (устойчивости процесса генерации колебаний).
При отсутствии затухания (когда r=0) уравнение движения упрощается:
а его решение
Данное решение x(t) является периодическим только в следующих четырех случаях:
а) (Гармонические колебания). Решение x(t) имеет период, совпадающий с периодом возмущающей силы 2π/ω и зависящую от p и ω амплитуду колебаний
б) (Субгармонические колебания). С≠0. Решение x(t) имеет наименьший период 2π/р, равный периоду свободных колебаний осциллятора, который в n раз больше периода внешней силы 2π/pn. Частота p=ω/n, n - любое целое число, не равное 1.
в) (Ультрагармонические колебания). С≠0. Решение x(t) имеет период 2 πm/p, равный периоду внешней силы. Частота p=mω, m - любое целое число, не равное 1.
г) (Ультрасубгармонические колебания). С≠0. Решение x(t) имеет период 2πm/p, а внешняя сила имеет период 2πm/np, т.е. период колебаний в n раз больше периода внешней силы и в m раз больше периода свободных колебаний, p=mω/n, n и m - целые взаимно простые числа.
В соответствии с пунктом а), кроме общеизвестных оптических и акустических колебаний, в содержащем ЭКЦ кристалле имеются гармонические колебания с частотами возмущающей силы, т.е. с частотами собственных (I-) колебаний ядра. Набор этих частот описывается формулой гармонического квантового I-осциллятора ω(ν)=ω(1/2+ν), где ω - классическая частота данного осциллятора, колебательное квантовое число ν=0, 1, 2,… Наименьшая из этих частот ω/2 значительно превышает максимальную частоту акустических и оптических колебаний. Элементарные кванты I-колебаний α-типа (ħω) в атомах с атомными номерами 8≤Z≤80 лежат между 220 мэВ для атома кислорода с Z=8 и ≈400 мэВ для атомов с Z→80. Для сравнения: наибольший квант оптических колебаний обычно не превышает 60 мэВ, акустические кванты обычно не превышают 25 мэВ.
субгармонические
В соответствии с пунктом б) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются  колебания, частоты которых в n=2, 3, 4,… раз меньше частоты возмущающей силы ω.
ультрагармонические
В соответствии с пунктом в) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются  колебания, частоты которых в m=2, 3, 4,… раз выше частоты I-колебаний с частотой ω. Эти частоты смещены на ω/2 относительно частот, описанных в пункте а).
ультрасубгармонические
В соответствии с пунктом г) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются  колебания с частотами mω/n, которые при m<n могут совпасть с частотами акустических или оптических фононов.
Из этого анализа решений x(t) следует, что возможны частоты гармонических колебаний ω(1/2+ν), из которых важны частоты ω и ω/2. При субгармонических колебаниях возможны частоты ω/n при n=2, 3,…, при ультрасубгармонических колебаниях возможны частоты (m/n)ω, при n=2, 3,… и m=1, 2,… Среди указанных частот важны те частоты, которые меньше ω. Многие из этих частот попадают в спектр разрешенных фононных частот p. Особенно важны такие частоты, которые совпадают с частотами, имеющими наибольшую плотность фононов в кристалле. Такие колебания (фононы) эффективно усиливаются за счет энергии собственных колебаний и имеют возможность распространяться по кристаллу, участвовать в электронно-колебательных переходах ЭКЦ, что принципиально важно для осуществления заявленного изобретения.
Нужно отметить, что в отличие от усиления, детектирования и синхронизации СВЧ-колебаний, например, эффективного преобразования частот в данном способе осуществить не представляется возможным, поскольку в решении уравнения движения x(t) (см. формулы (3) и (7)) отсутствуют суммы или разности частот в конечном вынужденном сигнале.
2
Рассмотрим другой случай, когда важна зависимость от времени коэффициента p=p(t) вследствие собственных колебаний ядра, а действием внешней силы можно пренебречь, положив ее равной нулю: F=0. Учитывая, что зависимость p(t) обусловлена I-колебаниями ядра атома с частотой ω, можно положить p=δ'+ε' cos ωt. Тогда уравнение (6) преобразуется в уравнение Матье [12]
Решения этого уравнения являются периодическими и устойчивыми в некоторых областях на плоскости с прямоугольными координатами δ' и ε'. Некоторые граничные точки областей устойчивости решения соответствуют гармоническим колебаниям с частотами ω или ω/2. Кроме того, для этого уравнения могут существовать все типы периодических решений, рассмотренных в случае вынужденных колебаний: субгармонические, ультрагармонические и ультрасубгармонические колебания любых порядков (с любыми комбинациями значений m=1, 2,… и n=2, 3,…).
Таким образом, благодаря ЭКЦ в кристаллах, кроме акустических и оптических колебаний, возможны колебания с широким диапазоном частот. Те частоты, которые попадают в спектр оптических или акустических колебаний (фононов), усиливают эти колебания, вызывают увеличение числа соответствующих фононов за счет энергии I-колебаний, возбуждаемых за счет энергии рекомбинации электронов (и дырок) на уровнях ЭКЦ. Эти фононы приобретают преимущество для участия в электронно-колебательных переходах и в генерации СВЧ-колебаний с указанными частотами. Это возможно вследствие того, что колебания с такими частотами могут распространяться в объеме кристалла и влиять на кинетические эффекты, на электронно-колебательные переходы, предоставляя возможность генерирования СВЧ электромагнитных волн и их усиления за счет энергии электронно-колебательных переходов.
15
-3
10
Известно также, что взаимодействие между ЭКЦ может вызвать изменение частотного спектра акустических колебаний. На фиг.1а сплошной кривой 1 показана дисперсионная ветвь акустических колебаний (акустических фононов) идеального (бездефектного кристалла). Эта ветвь достигает значения частоты р=0 в центре зоны Бриллюэна (в окрестности нулевого волнового вектора), что характерно только для акустических дисперсионных ветвей. Пунктирная кривая 2 на фиг.1а представляет акустическую дисперсионную ветвь в кристалле, содержащем ЭКЦ. Из фиг.1а видно, что введение в кристалл ЭКЦ вызвало увеличение частоты акустических колебаний (p) в центре зоны Бриллюэна от р=0 до некоторого значения р*>0. Из фиг.1б видно, что вблизи минимума дисперсионной (пунктирной) кривой сформировался пик плотности фононных частот G(p), плотности фононных состояний 3, который отсутствует в бездефектном кристалле. Таким образом, упругие взаимодействия ЭКЦ друг с другом вызывают появление повышенной плотности акустических фононных состояний вблизи центра зоны Бриллюэна. Частотное положение максимума функции G(p), вообще говоря, зависит от степени взаимодействия ЭКЦ друг с другом, то есть от среднего расстояния между ЭКЦ, от концентрации ЭКЦ. Было установлено, что при концентрациях ЭКЦ не более 5·10 см максимум G(p) вблизи центра зоны Бриллюэна в кремнии лежит вблизи частоты р*=4π·2·10 Гц, соответствующей СВЧ-диапазону. При еще больших концентрациях ЭКЦ максимум G(p) смещается в область больших частот. Известно из теории рассеяния электронов (и дырок) в кристаллах, что именно длинноволновые фононы с волновым вектором вблизи центра зоны Бриллюэна определяют эффективное рассеяние и подвижности носителей зарядов, поскольку вероятность их взаимодействия с носителями зарядов наиболее велика. В связи с этим такие фононы особенно активны в электрон-фононном взаимодействии на ЭКЦ, тем более что плотность их состояний (и, следовательно, их среднее число) в кристалле существенно возрастает при введении ЭКЦ. Этими особенностями определяется участие фононов с указанной частотой в электронно-колебательных процессах на ЭКЦ в сильных электрических полях и возможность генерации СВЧ-колебаний в материалах, содержащих ЭКЦ. В разных полупроводниковых содержащих ЭКЦ материалах максимум G(p) акустических фононов расположен при незначительно различающихся частотах.
К п.1 формулы изобретения
. Экспериментальные вольтамперные характеристики (ВАХ) содержащего ЭКЦ материала между электродами, разделенными зазором D, являются нелинейными, плотность тока зависит от напряженности электрического поля, от интенсивности и спектрального состава внешнего освещения, а также от величины индукции и направления магнитного поля относительно линий электрического тока в материале.
18
-2
15
-3
17
-3
На фиг.2 представлена схема расположения электродов 4 и 5 на поверхности материала, разделенных зазором D, с помощью которых материал подключали к внешнему источнику постоянного напряжения и измеряли статические ВАХ (методом амперметра и вольтметра). ЭКЦ вводили в материалы путем облучения их быстрыми электронами с энергией около 1 МэВ интегральной дозой до 10 см и создавали концентрации ЭКЦ не более 5·10 см. ЭКЦ преимущественно представляли собой ассоциации примесных атомов кислорода с вакансиями. Быстрые электроны генерируют в материале вакансии, которые заселяются примесными атомами кислорода, обычно присутствующими в материале в электрически неактивном состоянии в концентрации не менее 10 см.
На фиг.3 представлены типичные статические ВАХ образца материала GaAs с алюминиевыми электродами и с зазором между электродами (D=100 мкм). Кривая 6 на фиг.3а представляет собой ВАХ этого образца, которая измерена при комнатной температуре в темноте, кривые 7 и 8 измерены при различных интенсивностях освещения в области собственного оптического поглощения материалом. На фиг.3б представлены ВАХ материала GaAs между электродами (D=25 мкм) при азотной температуре (78 К) в темноте - кривая 9 и при освещении - кривая 10, ВАХ 11 измерена при комнатной температуре в темноте, а ВАХ 12 измерена при освещении. Анализируя представленные на фиг.3а и 3б ВАХ, мы пришли к выводу, что материал обладает фоточувствительностью и в слабых, и в сильных электрических полях при комнатной и пониженной температуре.
µ
Из фиг.3 видно, что ВАХ материала между электродами являются суперлинейными, имеющими несколько участков, на которых ток I описывается степенной функцией напряженности электрического поля Е:I=Е. При этом µ принимает определенные значения. В слабых полях, когда выполняется закон Ома, µ=1. По мере дальнейшего увеличения напряженности поля µ последовательно принимает значения 1,25; 1,5; 5; 10. Эти отклонения ВАХ от закона Ома мы связываем с полевой ионизацией ЭКЦ из различных колебательных состояний.
5
На фиг.4 представлены типичные вольтамперные характеристики материала GaAs между электродами с D=25 мкм, измеренные при комнатной температуре, без освещения материала, в темноте. Кривая 13 измерена без магнитного поля, кривая 14 измерена в магнитном поле с индукцией В=0,5 Тл, направленной по нормали к линиям тока в материале, кривая 15 измерена в магнитном поле с В=1,5 Тл такой же ориентации, по нормали к току в материале. Наклонные пунктирные прямые на фиг.4 обозначают наклон к осям координат, соответствующий закону Ома. Из Фиг.4 видно, что в области слабых электрических полей наблюдается магнетосопротивление (эффект Гаусса) в виде уменьшения тока I при каждом значении напряженности электрического поля Е. В области сильных электрических полей, где нарушается закон Ома, ВАХ сильно зависят от индукции магнитного поля, что не описывается эффектом Гаусса и представляет собой другой неизвестный ранее технический эффект. Если индукция направлена по нормали к току в материале между электродами, то ВАХ проявляют тенденцию к насыщению вплоть до напряженности поля пробоя материала при Е>10 В/см в магнитных полях, в области сильных электрических полей. Магнитное поле, ориентированное вдоль линий тока в материале между электродами, практически не влияет на вид ВАХ материала, что и следовало ожидать, руководствуясь действием силы Лоренца на подвижные носители заряда. Такое поведение ВАХ материала мы связываем с наличием ЭКЦ, с электронно-колебательными процессами, поскольку в несодержащих ЭКЦ материалах указанной зависимости ВАХ от величины и ориентации магнитного поля не проявляетсяется (и не должно проявляться).
Действительно, электрон на ЭКЦ можно представить как заряженный осциллятор с эффективной массой электрона m и зарядом электрона е. Уравнение движения этого осциллятора, учитывающее действие силы Лоренца в магнитном поле, можно записать следующим образом:
где X - обобщенная (конфигурационная) координата, ϖ - циклическая частота осцилляции электрона, В - проекция индукции магнитного поля на нормаль к направлению скорости (dX/dt) носителя заряда. Слагаемое, содержащее скорость, учитывает действие силы Лоренца на электрон, когда скорость и индукция (В) взаимно ортогональны. Данное уравнение (9) допускает осциллирующее решение при условии
2
10
-1
Другими словами, колебательные движения осциллятора с частотой ϖ возможны, когда В не слишком велико. Если частота колебаний связанного с ЭКЦ электрона фиксирована и определяется свойствами электронно-колебательного центра, то при увеличении В до значения В=4mϖ/e, определяемого неравенством (10), колебания центра станут невозможными. Если электрон участвует в сложном колебании центра с несколькими независимыми частотами, то по мере увеличения В последовательно окажутся подавленными магнитным полем колебания с частотами в порядке их возрастания. В принципе можно подобрать такую величину В, при которой будут подавлены колебания электронно-колебательных центров с любой частотой. Таким представляется механизм подавления осцилляции ЭКЦ в магнитном поле. Полагая m равной эффективной массе электрона и минимальную циклическую частоту акустического фонона p=ϖ=2π·1,25·10 сек, из соотношения (10) получаем минимальное значение критической напряженности магнитного поля для кремния, при которой колебания с частотами от 0 до p подавлены, равное В=0,25 Тл. Таким образом ясно, что для подавления колебаний ЭКЦ с частотой одного акустического фонона нужны магнитные поля с В≥0,25 Тл. Для подавления колебаний с суммарной частотой S таких фононов требуются магнитные поля с В=S·0,25 Тл. Принимая во внимание, что для ЭКЦ в кремнии и других полупроводниках величина S не превышает 5, то максимальная необходимая для подавления колебаний ЭКЦ с частотой S фононов индукция магнитного поля должна превышать 1,25 Тл. Экспериментальные результаты согласуются с приведенной оценкой величины В.
o
o
min
max
10
-1
10
-1
11
-1
На опыте в материале между электродами создавали электрический ток постоянной величины, создавали в материале магнитное поле по нормали к линиям тока, изменяли его индукцию от 0 до 2 Тл и измеряли изменение напряженности электрического поля в материале (dE) в зависимости от изменения индукции (dB). Соответствующая экспериментальная зависимость dE/dB от В представлена на фиг.5 для кремниевого (Si) материала. Эта зависимость имеет расположенные над осью индукции (В) экстремумы, равноудаленные друг от друга. Значения индукции в минимумах этой зависимости соответствуют наибольшему подавлению колебаний ЭКЦ с частотами 1, 2,…, 5 фононов. Если принять для эффективной массы электрона в кремнии «тяжелую массу» m=0,98 m, где m - масса покоя электрона, то циклические частоты минимумов зависимости dE/dB пропорциональны 2π·2,1·10 с, лежат в пределах от p=2π·2,1·10 с до p=2π·1,26·10 с и соответствуют участию в колебаниях ЭКЦ 1, 2, 3, 4, и 5 акустических фононов. Из фиг.5 видно, что колебания ЭКЦ отсутствуют (подавлены), когда В>1,3 Тл, что также согласуется с предварительными оценками наибольшей величины В, влияющей на ВАХ. Аналогичные результаты о подавлении этих колебаний ЭКЦ в магнитных полях с индукцией до В=2 Тл были получены на других материалах (Ge, GaAs, InP, InAs, GaInAs) при некотором различии частот фононов, участвующих в электронно-колебательных процессах на ЭКЦ.
Полученные экспериментальные данные об изменении ВАХ полупроводниковых материалов под действием магнитного поля определенно убеждают в существовании колебаний заряженных ЭКЦ с частотами СВЧ-диапазона (в диапазоне примерно от 1 ГГц до 130 ГГц в Si, GaAs, InP и до сотен ГГц в материалах с меньшими эффективными массами электронов). Это представляет практический интерес. В пункте 1 формулы изобретения такие колебания заряженных ЭКЦ предложено использовать для генерации СВЧ-колебаний и волн.
Согласно электродинамике ускоренно движущиеся электрические заряды излучают свою кинетическую энергию в виде электромагнитных колебаний и волн [13]. В процессе собственных (I-) колебаний локализованные на ЭКЦ электроны осуществляют колебательные движения с частотами фононов, испытывают периодические ускорения и согласно электродинамике рассеивают свою энергию в виде электромагнитных колебаний и волн. Ввиду квантованности (дискретности) колебательных состояний они могут излучать на частотах фононов или на частотах, кратных фононным частотам, вызывая затухание колебаний при ненулевых значениях коэффициента затухания (r) в выражениях (3-5).
1
2
3
1
2
3
1
2
Гармонические колебания ЭКЦ в принципе могут быть трехмерными. Тогда частоты колебаний электрона на ЭКЦ описываются формулой p[(1/2+ν)+(1/2+ν)+(1/2+ν)], где p - частота связанного с ЭКЦ фонона, ν, ν, ν - колебательные квантовые числа, независимо друг от друга принимающие целочисленные значения 0, 1, 2,… Гармонические колебания могут быть двумерными и частоты их колебаний описываются формулой p[(1/2+ν)+(1/2+ν)].
1
2
3
Гармонические колебания ЭКЦ могут быть одномерными (линейными), а частоты таких колебаний описывается формулой гармонического осциллятора p(1/2+ν), где ν=0, 1, 2,… Минимальная колебательная энергия достигается при ν=ν=ν=0. В случае трехмерных колебаний этот минимум равен 3p/2, в случае двумерных колебаний он равен p, в случае одномерных колебаний их минимальная энергия равна p/2.
Оптические и термоэлектрические эксперименты убедительно показали, что колебания ЭКЦ и связанных с ними электронов и фононов являются одномерными, поскольку минимальная колебательная энергия ЭКЦ совпадает с ħp/2 или с ħω/2, что возможно только при одномерных линейных колебаниях. Именно в этом случае возможно электромагнитное излучение энергии. Действительно, если бы колебания ЭКЦ были трехмерными или двумерными, то электрон центра двигался бы по круговым орбитам (орбиталям) и имел бы центростремительное ускорение и направленную по касательной к круговой траектории скорость. В этих двух случаях электрон не имеет возможности излучать энергию, поскольку, как показано в [14], интенсивность его излучения пропорциональна скалярному произведению скорости на ускорение. При колебательных движениях по круговым орбитам это скалярное произведение тождественно равно нулю во все моменты времени и, следовательно, электрон не излучает. Нужно сказать, что доказательство этого свойства кругового (двухмерного) движения электрона сделало излишним известный постулат Н. Бора, запрещающий электрону излучать энергию движения и падать на ядро в модели атома Бора. Теперь ясно, что и без этого постулата электроны, движущиеся по круговым орбитам вокруг притягивающего их центра, не излучают свою энергию.
В случае одномерных колебаний, когда движения электрона на ЭКЦ представляют собой линейный гармонический осциллятор, ситуация принципиально иная. Скалярное произведение ускорения на скорость электрона не равно нулю во всех точках линейной траектории (за исключением, быть может, точек возврата). Следовательно, что принципиально важно для нашего изобретения, электроны на ЭКЦ имеют возможность и согласно электродинамике «обязаны» излучать свою кинетическую энергию в виде электромагнитных колебаний и волн. Такое излучение происходит в виде квантов энергии, кратных энергии связанного с ЭКЦ фонона. Уникальная комбинация характерных физических свойств позволяет линейным заряженным осцилляторам, таким как заряженные ЭКЦ, излучать во внешнюю среду энергию, полученную при рекомбинации электронов на этих центрах. Важной здесь является и способность ЭКЦ предавать энергию от ядра атома к электронам (и обратно), преобразовывать ее, например, из энергии колебаний ядра атома с частотой ϖ в энергию колебаний электронов с частотой p, образующими широкий спектр частот ϖ, соответствующих СВЧ-диапазону.
Представление о траекториях квантовых частиц (траекториях электронов) является непротиворечивым и обоснованным. В наиболее распространенной сейчас волновой квантовой механике с учетом соотношения неопределенностей Гейзенберга считается, что у квантовых частиц нет траекторий. Однако соотношение неопределенностей Гейзенберга определяет предел применимости волновой квантовой механики и не может быть причиной отсутствия траектории движения микрочастицы. Более того, например, в автоколебательной квантовой механике траектории микрочастиц точно описываются [15], как и в других механиках микрочастиц, а в классической теории атомов [16] квантование состояний электронов выражено соотношением полуосей эллиптических траекторий, по которым движутся электроны.
16
-3
Квантовая теория электронно-колебательных переходов на энергетические уровни ЭКЦ или с энергетических уровней ЭКЦ также описывает широкий спектр колебаний, состоящий из дискретных частот отличающихся друг от друга и от частоты бесфононного перехода на частоту фонона или кратную частоте фонона [17]. Спектр описывается сложной функцией, содержащей дельта-функцию от числа участвующих в переходе фононов, и представляет собой систему дискретных линий, отстоящих друг от друга и от бесфононного перехода на энергию фонона. Огибающая функция линейчатого спектра достигает максимума при участии в переходах S фононов. Величина S равна среднему числу участвующих в электронно-колебательном переходе фононов и носит название константы электрон-фононной связи. По теоретическим оценкам S может достигать 150, известны экспериментальные данные о значениях S=22. В кремнии (Si) на А-центрах, представляющих собой ассоциации примесных атомов кислорода с вакансиями, S достигает значения 5, а при увеличении концентрации центров более 10 см значение S уменьшается до 1 из-за упругого взаимодействия центров друг с другом. В других полупроводниках на аналогичных А-центру ЭКЦ величина S не превышает 3…4.
Если в электронно-колебательных переходах участвуют более 3% фононов других (кроме частоты p) частот, то дискретные линии спектра уширяются, сливаются друг с другом и образуют широкий сплошной спектр частот колебаний ЭКЦ от 1 ГГц до сотен ГГЦ. Это те же самые частоты, которые вычислены из уравнения вынужденных колебаний гармонического осциллятора. Практически любые частоты из этого спектра могут быть выбраны для генерирования электромагнитных СВЧ-колебаний и волн в заявленном изобретении.
max
min
Возможность генерирования СВЧ-колебаний за счет колебаний ЭКЦ в полупроводниковых материалах между электродами была практически проверена. Полупроводниковые материалы с электродами и введенными ЭКЦ размещали в СВЧ измерительной линии на частоте 10 ГГц вместо источника СВЧ-сигнала и регистрировали уровень сигнала на детекторе линии. Были проведены исследования зависимости интенсивности (мощности) колебаний ЭКЦ от расстояния между электродами D. Результаты таких исследований представлены графически на фиг.7 для различных материалов. Из фиг.7 видно, что колебания ЭКЦ существуют и СВЧ-колебания генерируются при расстояниях между электродами от величины менее 1 мкм до D=400 мкм. Однако максимальная интенсивность колебаний достигается при D=(50…200) мкм. Оценить минимальное расстояние между электродами D можно как длину волны активно взаимодействующих с ЭКЦ акустических фононов, которая во многих материалах близка к 0,2 мкм. Таким образом, расстояние между электродами целесообразно выбирать в диапазоне от 0,2 до 400 мкм, что отражено в п.1 формулы изобретения.
10
-3
17
-3
16
-3
Установлено, что концентрация электрически активных ЭКЦ в материале между электродами, обеспечивающая генерацию СВЧ-колебаний, лежит в пределах от 2·10 см до 2·10 см. Эти результаты согласуются с другими данными о влиянии ЭКЦ на оптические и электрофизические свойства полупроводниковых материалов и структур. Опыты проводили как на полуизолирующих материалах, так и на промышленных полупроводниках с уровнем легирования до 10 см.
max
min
max
max
min
max
min
max
max
min
свч
max
свч
5
4
5
Оценим коэффициент полезного действия при преобразовании мощности постоянного электрического тока в материале между электродами в мощность СВЧ-колебаний. Для определенности обратимся к фиг.4. Будем считать, что величина тока I, протекающего в материале, достаточно велика и рабочая точка находится на участке ВАХ, соответствующему напряженности поля электрического пробоя материала Е на кривой 15. Такая же величина тока соответствует положению рабочей точки на кривой 13 при напряженности электрического поля Е. Подводимая к материалу мощность очевидно равна Р=Е·D·I. Мощность СВЧ колебаний очевидно может достигать величины Р*=(Е-E)·D·I. Коэффициент полезного действия при генерации СВЧ-колебаний η=Р*/Р=(Е-E)/Е. Учитывая далее, что E может достигать значения 4·10 В/см, а величина E может быть близка к 2·10 В/см, то получается, что η=0,95. Учитывая, однако, что СВЧ-мощность следует отводить из материала и этот процесс зависит от условий согласования материала с СВЧ-трактом, то, возможно, что реальное значение η будет вдвое меньше. В таком случае отводимая от материала СВЧ-мощность может составлять Р≈Р*/2. При D=100 мкм, при Е=4·10 В/см и при токе питания I=1 мА получаем Р≈2 Вт. Это - при ширине токового канала в материале, который был в наших экспериментах равным 1 мм. Поэтому, увеличив ширину токового канала и величину тока в материале при достаточном охлаждении материала, выходную СВЧ-мощность можно увеличить на порядок, т.е до 20 Вт, что удовлетворяет технические потребности в таких способах генерации СВЧ-колебаний и волн.
Следует отметить, что данная оценка величины η выполнена в режиме генератора тока, когда в материале поддерживается постоянная величина тока I. На практике, конечно, режим электропитания материала является промежуточным между режимом генератора тока и режимом генератора напряжения. В таком случае в области слабых полей на ВАХ 13 (см. фиг.4) ток может быть больше принятой величины (1 мА) на 2-3 порядка. Следовательно, приведенная оценка выходной СВЧ-мощности и КПД предложенного способа генерации могут быть существенно выше, что делает заявленный способ генерации СВЧ-колебаний и волн привлекательным для практического использования.
Следует также отметить, что ВАХ материалов между электродами не содержат участков с отрицательной дифференциальной проводимостью, что является общей чертой заявленного изобретения и прототипа. Однако СВЧ-частоты, генерируемые с применением прототипа, определяются временами пролета электронов в материале между электродами. В заявленном изобретении в отличие от прототипа частоты генерируемых СВЧ-колебаний и волн определяются частотами кристаллических фононов материала и собственными частотами колебаний ядер атомов, которые не зависят от температуры вплоть до плавления материала, что обеспечивает пониженный уровень внутренних шумов по сравнению с прототипом.
3
3
крит
На фиг.6 представлены ВАХ материала (GaAs) между электродами (D=100 мкм), измеренные при комнатной температуре. Кривые 16 и 17 измерены в темноте, кривые 18 и 19 измерены при освещении в спектральной области фунаментальной (основной, собственной) полосы оптического поглощения материала. Кривые 17 и 19 измерены в поперечном к току в материале магнитном поле с индукцией В=0,2 Тл. Наклонная пунктирная линия соответствует закону Ома. Из фиг.6 видно, что в темноте ВАХ линейны, подчиняются закону Ома до критической величины напряженности Е≈10 В/см. При освещении материала ВАХ суперлинейны в электрических полях Е>10 В/см. Таким образом видно, что освещение материала вызывает уменьшение критической напряженности электрического поля, выше которой нарушается закон Ома и становятся существенными электронно-колебательные процессы на ЭКЦ. Действительно, при отсутствии ЭКЦ в материалах таких зависимостей ВАХ от освещения, электрического и магнитного полей не наблюдается. Из фиг.6 также видно, что влияние магнитного поля на ВАХ материала наибольшее в области сильных полей, при напряженности электрического поля выше критического Е≥10 В/см, даже при незначительном превышении этого критического поля. При еще больших напряженностях электрического поля влияние магнитного поля на ВАХ более значительно.
крит
3
3
4
предгенерационный режим,
Таким образом, процесс генерации СВЧ-колебаний возможен в полях от критического Е≈10 В/см до поля электрического пробоя материала, что характерно для всех исследованных материалов. Вблизи критической напряженности поля при Е≈(10…10) В/см реализуется  когда генерация еще отсутствует, но незначительное увеличение напряженности поля Е создает условие для генерации и тогда генерация СВЧ возникает.
ак
опт
опт
ак
ак
опт
Электронно-колебательный центр можно представить как совмещенные акустический и оптический осцилляторы с частотами акустических (р) и оптических (р) фононов, которые связаны друг с другом через собственный (I-) осциллятор с частотой колебания ядра в атоме вещества (ω). Если указанные частоты выбрать такими, что их сумма p±p совпадает с ω или кратна ω, то (в предгенерационном режиме) имеется возможность осуществить параметрическое усиление с частотой оптического или акустического фонона за счет энергии I-колебаний. При этом один из осцилляторов, например с частотой р, настроен на частоту входного сигнала, подаваемого на дополнительный электрод (дополнительные электроды), а другой с частотой р выполняет роль «холостого» осциллятора и может иметь любую из комбинаций частот, допустимых для ЭКЦ. Соответствующие частоты всегда найдутся автоматически вследствие богатого спектра упругих колебаний в материале, что известно из исследований параметрического способа усиления. В таком случае, как это было показано Л.Мандельштамом и Н.Папалекси (1933 г.), а также последующими исследователями, отсутствует зависимость коэффициента усиления от фазы входного сигнала, так как фаза колебаний «холостого» осциллятора автоматически подстраивается под оптимальный режим усиления в широком диапазоне частот, что является большим достоинством параметрического усиления по сравнению с одноосцилляторным способом, в котором амплитуда усиленного сигнала зависит от разности фаз усиливаемого сигнала и так называемого сигнала «накачки» (с I-частотой ω).
Использование ЭКЦ позволяет также осуществить регенерационный и сверхрегенерационный режимы усиления. Для этого материал между электродами приводят в предрегенерационный режим по постоянному току и задают уровень (амплитуду) сигнала «накачки» на I-частоте (ω), достаточную для того или иного режима усиления. При большом уровне «накачки» в устройстве, реализующем данный способ усиления, возникает генерация и оно выполняет функцию генератора. Генерация СВЧ-сигналов может быть осуществлена как в мягком, так и в жестком режиме самовозбуждения в зависимости от интенсивности I-колебаний ЭКЦ.
В п.1 формулы
0
k
изобретения учтены важнейшие из описанных выше признаков заявленного способа генерации СВЧ-колебаний и волн. Кроме того, использование выпрямляющих контактов, разделенных зазором D<L, величину которого выбирают меньше глубины проникновения электрического поля (вызванного контактной разностью потенциалов) от контакта в материал , где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε - электрическая постоянная, е - заряд электрона, ϕ - контактный потенциал, n - концентрация свободных носителей зарядов в состоянии "плоских зон", обеспечивает однородность электрического поля в материале между электродами. Кроме того, при использовании выпрямляющих контактов материал между электродами отделен от остальной части материала физическим p-n-переходом, который препятствует проникновению основных носителей зарядов в материал между электродами и их влиянию на электронно-колебательные переходы и генерацию СВЧ-колебаний, способствуя снижению уровня внутренних шумов при использовании заявленного способа.
Полезно обратить внимание на то, что генерация СВЧ-колебаний и волн в изобретении осуществляется при посредстве ЭКЦ квантами, равными квантам акустических фононов, т.е. за счет энергии акустических фононов, за счет уменьшения числа (плотности) фононов, что способствует понижению температуры материала между электродами и стабилизации рабочей температуры материала. Кроме того, нагревание материала до разумных температур, при которых еще не нарушаются свойства материала, ЭКЦ и контактов к материалу, не ограничивает применение заявленного способа, а способствует увеличению мощности генерации СВЧ. Нагревание материала не влияет как на полосу генерируемых частот, так и на уровень внутренних шумов, поскольку осцилляции электронов одномерны и удельный шум не может превысить уровень kT*/2, где Т* - температура Дебая ширины полосы генерируемых СВЧ-частот, определяемой коэффициентом затухания колебаний ЭКЦ (r), что значительно ниже уровня шумов двумерного электронного газа в применяемых сейчас полупроводниковых слоистых гетероструктурах (в НЕМТ-транзисторах).
К п.2 формулы изобретения
. Заявленный способ может быть осуществлен и в тех случаях, когда ЭКЦ вводят только в части материала между электродами, например, в части материала, прилежащие к электродам, поскольку взаимодействие между размещенными в этих частях ЭКЦ осуществляется путем обмена фононами на расстояниях, равных средней длине свободного пробега фонона. Это расстояние может многократно превышать длину волны, представляющей собой фонон, и быть сравнимым с расстоянием между электродами D. Эту возможность предложено использовать в п.2 формулы изобретения.
К п.3 формулы изобретения
зв
зв
синхронизма
зв
зв
. Исследования ЭКЦ в полупроводниках показали, что акустические (и оптические) колебания, фононы также оказывают синхронизирующее действие на колебания центров и способствуют усилению СВЧ-генерации. Наиболее эффективна роль акустических и оптических фононов в условиях акусто-электрического синхронизма, т.е. когда фононы, возникшие в материале между электродами (например, у одной его поверхности) проходят (со скоростью звука) до противолежащей ограничивающей материал поверхности (до границы материала), отражаются от нее и возвращаются в материал между электродами с фазой, удовлетворяющей условию акусто-электрического синхронизма. В таком случае СВЧ-колебания будут усиливаться. Условие акусто-электрического синхронизма выполняется, если возвратившиеся фононы имеют прежнюю фазу, т.е. при толщине пластины, равной или кратной W, путь, проходимый звуком (фононом), равен или кратен 2W, а время, затрачиваемое фононом на преодоление этого пути, равно или кратно 2W/V, где V - скорость звука вдоль направления W. Если это время приравнять к периоду высокочастотных колебаний 1/f=2π/ϖ, то мы получим условие синхронизма, при котором расстояние от материала между электродами до поверхности материала равно или кратно W=ϖV/4π, где V - скорость звука вдоль направления (направлений) W и ϖ - циклическая частота СВЧ-генерации.
Аналогичные условия синхронизма могут быть выполнены и по другим направлениям, по направлениям к другим поверхностям материала, отстоящим от материала между электродами на W или на расстояния, кратные W, что также способствует увеличению генерируемой СВЧ-мощности.
Дополнительное увеличение СВЧ-мощности и снижение внутренних шумов может быть обеспечено за счет размещения электродов по определенному кристаллографическому направлению в полупроводниковом материале между электродами. Действительно, в таком случае кратчайший путь (длиной D) от одного электрода к другому электроду лежит вдоль этого определенного кристаллографического направления, по которому оказывается направленным электрическое поле и ток в материале между электродами. Если частота генерируемых СВЧ-колебаний и волн совпадает с частотой акустического фонона (р*), распространяющегося в материале вдоль данного направления, или кратна частоте такого фонона, то в СВЧ-колебаниях ЭКЦ будут преимущественно участвовать именно данные фононы, а участие фононов с другими направлениями распространения (и вообще говоря с другими частотами) будут ослаблены. Таким образом сужается спектр фононов, участвующих в СВЧ-генерации на ЭКЦ и соответственно уменьшается уровень собственных шумов. Кроме того, моды СВЧ-колебаний с частотами, отличными от р*, оказываются ослабленными, а затрачиваемая на них электрическая подводимая к материалу между электродами мощность будет преобразовываться в СВЧ-колебания на частоте генерации р*. Другими словами выбор кристаллографического направления, по которому действует электрическое поле в материале между электродами, важно. Выбирают такое расположение электродов, чтобы кристаллографическое направление в материале по кратчайшему пути (D) между ними совпадало с направлениями волновых векторов фононов, частоты которых равны частоте СВЧ-генерации, или целое число их частот составляет частоту СВЧ-генерации. Это обеспечивает уменьшение внутренних шумов и повышение мощности СВЧ колебаний.
К п.4 формулы изобретения
2
. Магнитное поле, направленное вдоль линий тока в материале между электродами с индукцией от 0 до B=4mϖ/e в соответствии с соотношением (10), подавит колебания ЭКЦ с циклическими частотами от 0 до ϖ и со смещениями осциллятора по нормали к линиям тока. Это способствует увеличению генерируемой мощности СВЧ и снижению внутренних шумов, так как подавление тангенциальных к линиям тока осцилляций добавляет их мощность к мощности продольных колебаний, уменьшает или даже устраняет флуктуации носителей зарядов по нормали к току и снижает соответствующие шумовые сигналы. Выбрав подходящую величину продольного магнитного поля в указанных пределах, можно увеличить выходную СВЧ-мощность и снизить шумы.
К п.5 формулы изобретения
2
2
. Согласно выражению (10) магнитные поля, направленные по нормали к линиям тока в материале с индукцией B=4ϖm/е, подавляют (запрещают, делают невозможными) колебания ЭКЦ с циклическими частотами от 0 до ϖ. Согласно п.5 формулы создают в материале между электродами 7 поперечное к току магнитное поле с величиной индукции от 0 до 4ϖm/е, где ϖ - частота генерируемых СВЧ-колебаний. Тем самым ослабляют или устраняют колебания ЭКЦ с частотами менее ϖ, вместе с ними устраняют и соответствующие низкочастотные шумы. Мощность подавленных колебаний добавляется к мощности генерируемых колебаний, возможный диапазон генерируемых частот сужается от [0, (S+2)·p] до [р*>0, (S+2)·p], где S - константа электрон-фононной связи на ЭКЦ и р - циклическая частота взаимодействующих с ЭКЦ фононов. Отмеченная особенность генерации СВЧ-колебаний в поперечном к току в материале магнитном поле преложено использовать для увеличения СВЧ-мощности и уменьшения шумов при генерации СВЧ-колебаний.
К п.6 формулы изобретения
. Размещение дополнительных полевых электродов, например, образующих выпрямляющий контакт с материалом между электродами, и приложение к этим электродам напряжений относительно материала или между этими электродами позволяет за счет эффекта поля изменять форму и длину линии тока между электродами и тем самым изменять мощность СВЧ-генерации. В случае прямого смещения на дополнительных электродах возникает инжекция носителей заряда в материал, которая сопровождается захватом носителей на ЭКЦ, изменением числа носителей, участвующих в колебаниях на ЭКЦ, и соответствующим изменением мощности СВЧ-колебаний в материале. Использование более двух дополнительных электродов предоставляет возможность осуществлять более широкие функциональные зависимости СВЧ-мощности от напряжений на дополнительных электродах. Предельные значения величин напряжений, подаваемых на дополнительные электроды, определяются свойствами контактов и общеизвестны [6]. В п.6 формулы изобретения предложено использовать эти особенности заявленного способа для регулирования генерируемой СВЧ-мощности.
К п.7 формулы изобретения. Синхронизация
. Возможность синхронизации частоты и фазы СВЧ-колебаний основано на свойстве вынужденных колебаний гармонического осциллятора принимать частоту и фазу внешней вынуждающей силы согласно выражению (3). Для синхронизации прикладывают переменное электрическое напряжение синхронизации амплитудой менее ϕ/е, где ϕ - высота потенциального барьера в контакте с желаемой частотой и фазой СВЧ-генерации или в моменты желаемого установления нулевой фазы СВЧ-генерации, подают на дополнительный электрод (на дополнительные электроды) импульсы напряжения длительностью менее 2 π/ϖ, где ϖ - циклическая частота СВЧ-генерации. Периодичность следования синхронизирующих импульсов напряжения может быть больше периода СВЧ-колебаний 2 π/ϖ примерно в Q раз, где Q - добротность СВЧ резонансной системы, связанной с материалом между электродами.
К п.8 формулы изобретения
. Напряжение синхронизации, прикладываемое к дополнительному полевому электроду, в зависимости от полярности и величины создает или обедненную носителями зарядов приконтактную область, или инжектирует в приконтактную область носители зарядов. В результате изменяются скорости рекомбинации носителей на ЭКЦ. В зависимости от частоты и фазы напряжения синхронизации изменяются мощность, частота и фаза СВЧ-колебаний ЭКЦ. Эта техническая возможность регулирования частоты и фазы генерируемых колебаний предложена для использования в п.8 формулы изобретения.
К п.9 формулы изобретения
. Освещение содержащего ЭКЦ материала в спектральном диапазоне поглощения ЭКЦ или материала или в спектральном диапазоне и ЭКЦ и материала изменяет скорости рекомбинации носителей зарядов на ЭКЦ и тем самым влияет на генерируемую мощность СВЧ-колебаний и волн. Влияние излучения на СВЧ-колебания прекращается, когда электронные состояния на ЭКЦ заполнены электронами. Такое состояние достигается, если материал между электродами становится вырожденным, т.е. если концентрация генерируемых светом носителей зарядов (Iξτ), где I - интенсивность оптического излучения, ξ - коэффициент оптического поглощения материала в указанном спектральном диапазоне, τ - время жизни носителей заряда, сравнится с эффективным числом состояний в разрешенной энергетической зоне материала
где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура материала,  - эффективная масса носителя заряда для плотности состояний, h=2πħ - постоянная Планка [6-8]. Это свойство генерации колебаний и волн в условиях освещения материала между электродами в п.9 формулы изобретения предложено использовать для осуществления способа оптического регулирования генерируемой СВЧ-мощности. Данный способ позволяет совмещать генерацию СВЧ-колебаний и волн с быстродействующей регистрацией (детектированием) оптического излучения. В частности, этот способ позволяет создавать компактные устройства, одновременно обеспечивающие регистрацию оптических сигналов и СВЧ-ответы на оптические запросы.
К п.10 формулы изобретения
3
4
. В предгенерационном режиме, когда напряженность электрического поля в материале между электродами относится к примерной области (10…10) В/см, но СВЧ-колебания и волны отсутствуют, дополнительное к действующему электрическое поле или освещение материала между электродами способно вызывать возникновение генерации СВЧ-колебаний и волн. В п.10 формулы данную возможность предложено использовать для детектирования или усиления СВЧ-сигналов. Для этого подлежащий детектированию или усилению (электрический, СВЧ) сигнал (сигналы) подводят к дополнительному (дополнительным) электродам или СВЧ-сигнал, оптическое излучение направляют непосредственно в материал между электродами. Электрические поля сигнала и существующего в материале электрического поля суммируются и в материале возникают СВЧ-колебания, мощность и фаза которых зависят от мощности и фазы детектируемого (усиливаемого) сигнала (сигналов). Такое же действие оказывает освещение материала между электродами.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖА
На фиг.1 представлены дисперсионные кривые акустических колебаний (фононов). Сплошная кривая 1 на фиг.1а качественно представляет собой ветвь акустических колебаний идеального (бездефектного кристалла). Пунктирная кривая 2 представляет собой ветвь акустических колебаний в кристалле, содержащем электронно-колебательные центры, π/а - граница зоны Бриллюэна, а - постоянная кристаллической решетки. На фиг.1б кривой 3 качественно представлена зависимость плотности акустических колебаний G(p) от их частоты (р) вблизи центра Зоны Бриллюэна (q≈0) в содержащем ЭКЦ материале.
На фиг.2 изображено примерное схематическое расположение электродов 4 и 5 на поверхности материала с зазором между электродами величиной D.
На фиг.3а приведены ВАХ GaAs материала между электродами с зазором D=100 мкм. ВАХ 6 измерена без освещения материала (в темноте), ВАХ 7 и 8 измерены при различных интенсивностях освещения материала. На фиг.3б приведены ВАХ такого же материала (GaAs) между электродами с D=25 мкм. ВАХ 9 измерена при Т=78 К в темноте, ВАХ 10 измерена при Т=78 К при освещении материала. ВАХ 11 измерена при комнатной температуре в темноте, ВАХ 12 измерена при комнатной температуре при освещении материала.
На фиг.4 приведены ВАХ (GaAs) материала между электродами при D=100 мкм. ВАХ 13 измерена без магнитного поля, ВАХ 14 и 15 измерены при различных магнитных полях, направленных по нормали к току в материале. Пунктирные линии соответствуют закону Ома.
На фиг.5 приведена зависимость производной dE/dB, где Е - средняя напряженность электрического поля в материале и В - индукция поперечного к току магнитного поля, измеренная при комнатной температуре в (Si) кремниевом материале.
3
На фиг.6 приведены ВАХ (GaAs) материала между электродами (D=100 мкм) в области напряженностей электрических полей, прилежащих к критической напряженности Е>10 В/см. ВАХ 16 измерена в темноте и без магнитного поля. ВАХ 17 измерена в темноте и при поперечном магнитном поле с индукцией В=0,2 Тл. Кривая 18 измерена при освещении материала без магнитного поля. Кривая 19 измерена при освещении материала в поперечном магнитном поле с В=0,2 Тл. Пунктирная линия соответствует закону Ома.
На фиг.7 графически представлены данные об относительной мощности СВЧ-колебаний (Р*) в различных материалах в зависимости от величины зазора между электродами (D): Арсенид галлия (GaAs) - 20, Фосфид индия, легированный Железом и Теллуром (InP:Fe:Te) - 21, Кремний (Si) - 22, соединение (InGaAsP) - 23, четверное соединение на полуизолирующей подложке из Фосфида Индия (InGaAsP/InP) - 24.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Born M, Oppenheimer. Review of the Interpretation of Luminescence phenomena. Ann. D. Phys. 1927. V.84, №4. P.457.
2. Dirac P.A.M. Note on the excharge phenomena in the Thomas atom. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1930. V.26. P.376.
3. Pastore G., Smargiassi E., Buda F. Theory ofab inito molecular-dynamics calculations. Phys. Rev. A. 1991. V.44. №10. P.6334-6347.
4. Doltsinis N.L., Marx D. First principles molecular dynamics involving exited states and nonadiabatic transitions. Journ. Theor. Comput. Chem., 2002, vol.1, P.319-349.
5. А.с. СССР №1228671, 1986 г. А.с. СССР №1823704, 1992 г.
6. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов. M.: «Мир». 1984. С.150-225.
7. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. M.: Наука, 1978. С.557-564.
8. Зеегер К. Физика полупроводников. - M.: Мир, 1977. С.113.
9. Вдовенков В.А. // Изв. Вузов. Материалы электронн. техники. 2003. №1. С.57-62.
10. Vdovenkov V.A. // arXiv:cond-mat\9904299; arXiv:cond-mat\0207215.
11. Vdovenkov V.A. // arXiv:cond-mat\0207218. - To же: Наукоемкие технологии. 2002. №4. С.55-60. - То же: Микросистемная техника. 2002. №12. С.17-22.
12. Стокер Дж. Нелинейные колебания в механических и электрических системах. - M: Иностранная литература, 1953. С.15-22, С.183-210.
13. Ландау Л.Д., Лифшиц M.E. Электродинамика. M.: - Наука, 1986.
14. Клюшин Я.Г. Основы современной электродинамики. Санкт-Петербург, 1999.
15. Родимов Б.Н. Автоколебательная квантовая механика. Издательство Томского государственного университета, Томск, издание 1967 г., издание 1976 г.
16. Сухоруков Г.И., Сухоруков В.И., Сухоруков Э.Г., Сухоруков Р.Г. Реальный физический мир без парадоксов. Издательство Братского ГТ Университета, Братск, 2001 г.
17. Пекар С.И. Исследования по электронной теории кристаллов. Гостехиздат, 1951. То же: К теории люминесценции и поглощения света примесями в диэлектриках. ЖЭТФ, т.22, вып.6, с.641-657, 1952. То же: О влиянии деформации решеток электронами на оптические и электрические свойства кристаллов. УФН, т.L, вып.2, с.197-252, 1953 г.
18. Huang К. and Rhys A. Theory of light absorption and nonradiative transitions in F-centers. Roy. Soc., v. A204, p.406-423, 1950 г.