Генератор электрических колебаний

Генератор электрических колебаний

Реферат

Изобретение относится к области полупроводников, а именно к структурам, собранным из жидких органических полупроводников и основанным на их свойствах, которые могут найти широкое применение в биологии, экологии и медицине.

Известен полупроводниковый генератор с перестраиваемой частотой, содержащий пластину монокристаллического кремния с двумя контактами, легированную цинком с концентрацией N_Zn и донорной примесью с концентрацией N_D. Кремний имеет удельное сопротивление ρ≥10⁴ Ом×см, а расстояние между контактами не более диффузионной длины электронов, при соотношении легирующих примесей в кремнии N_Zn≥N_D. При приложении разности потенциалов 50 В между инжектирующими контактами и подачей тока между анодом и катодом получаем перестраиваемую частоту колебаний тока в пределах 10-10⁵ Гц (а.с. №782641, SU, МПК H 01 L 29/86).

Известен генератор, содержащий экранированную крышку, выполненную из материала, температурный коэффициент расширения которого меньше, чем у материала основания, на котором размещена подложка из диэлектрика с активными и пассивными элементами. По всему периметру основания выполнен прямоугольный паз на 0,5-0,8 толщины основания (а.с. №1429278, RU, МПК Н 03 В 7/14).

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является твердотельный генератор низких частот на основе полупроводниковой пластины кремния n-типа размером 1×1 мм², имеющий два алюминиевых контакта (анод и катод), расположенных на расстоянии порядка активной области (˜100 мкм), в форме проволоки диаметром d=20 мкм и область, в которой реализованы условия для возникновения колебаний электродырочной плазмы типа рекомбинационных волн. На поверхности полупроводниковой пластины имеется изолятор - слой окисла толщиной d=0,2 мкм, на который нанесен металлический слой, служащий управляющим контактом. При изменении напряжения смещения, прикладываемого к металлическому контакту, расположенному на слое окисла, нанесенного на поверхность полупроводника, можно управлять характеристиками тока (амплитудой и частотой). Генератор на основе МДП-структуры имеет такие характеристики: область генерируемых частот 40-400 Гц, амплитуда генерируемых колебаний 0,5-50 мВ, используемое питающее напряжения 1-5 В (а.с. №439255, RU, МПК H 01 L 29/00).

Однако выше перечисленные генераторы основаны на использовании твердотельных элементов. Физико-химические свойства таких твердотельных структур имеют резкое отличие от биологических объектов (по геометрии, по форме, по плотности, по агрегатному состоянию вещества и т.д.), длительный контакт с ними приводит к осложнениям, внося существенные изменения в биологическую систему, и тем самым затрудняет их применение в биологии и медицине.

Техническая задача заявляемого изобретения состояла в создании генерирующего устройства, имеющего релаксационные колебания, частоты которых изменялись бы в широком диапазоне при изменении питающего напряжения или тока и были бы близки по своим параметрам к колебаниям, наблюдаемым у биологических объектов.

Для решения технической задачи предлагается генератор электрических колебаний, состоящий из полупроводниковой структуры, образованной жидкими полупроводниками n-типа и p-типа. В жидкий полупроводник n-типа погружены два электрода, а в жидкий раствор органического полупроводника p-типа введен один электрод.

В качестве жидкого полупроводника p-типа использовали водные растворы органических веществ: тиазиновый краситель - метиленовый голубой, вещество из группы пурпурных красителей - фуксин или сахара, например глюкоза. А в качестве жидкого полупроводника n-типа использован ароматический амин - анилин.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема генератора в работе.

Жидкий полупроводник p-типа 1, жидкий органический полупроводник n-типа 2, отрицательный электрод, погруженный в органический полупроводник n-типа 3; электрод, погруженный в органический полупроводник n-типа 4; электрод, погруженный в органический полупроводник p-типа 5; сопротивление 6, с которого снимали релаксационные колебания; источник питания 7, создающий разность потенциалов между электродами 3 и 4, погруженными в полупроводник n-типа 1; ключ 8, микроамперметр 9, источник постоянного напряжение 10, для подачи постоянного уровня тока между электродами 4 и 5, высокоомный резистор 11.

Возникновение релаксационных колебаний связано с накоплением неравновесных носителей на границе контакта органический полупроводник - n-полупроводник и является результатом перезарядки электрическим полем поверхностных центров («быстрых» состояний). С некоторой критической величины приложенного к полупроводнику n-типа напряжения поле в приповерхностном слое становится достаточным для переброса электронов с поверхностных состояний в зону проводимости. Это приводит к понижению барьера и к резкому уменьшению сопротивления приповерхностного слоя. В результате этого электроны вновь захватываются на уровни полупроводника n-типа. Затем процесс повторяется.

Пример конкретного выполнения 1.

Для создания генератора электрических колебаний использовали пластмассовую ванночку шириной 5 мм и глубиной 3 мм (на чертеже не показана). Для ванны можно использовать диэлектрические материалы, например: текстолит, гетинакс, резину и т.д. Результаты экспериментальных исследований показали, что от выбора выше перечисленных материалов ванны параметры колебаний не зависят. В ванну наливали 10% водный раствор красителя метиленового голубого в качестве органического полупроводника p-типа 1 в количестве 2,4×10^-6 дм³. Затем с помощью шприца для хромотографии на него наносили слой анилина (Ч) в количестве 1,6×10^-6 дм³, являющегося полупроводником n-типа 2. В анилин погружали два электрода 3 и 4, выполненных в виде медных игл d=0,25 мм, гальванически обработанных оловом. Источником питания 7 создавали на электродах 3 и 4 отрицательный и положительный потенциалы соответственно. Ключ 8 в цепи между электродами 4 и 5 был разомкнут. Между электродами 3 и 4 подключали резистор 6 сопротивлением 200 Ом, с которого с помощью осциллографа (на фигуре не изображен) фиксировали электрические колебания, амплитуда которых была равна 10 мА и частота 950 Гц. Разность потенциалов была равна 30 В.

Пример 2 аналогичен примеру 1, с той разницей, что между погруженным в полупроводник p-типа 1 электродом 5 и между электродом 4 подсоединяли микроамперметр 9, источник постоянного питания 10, имеющего ЭДС, равную 9 В, и высокоомный резистор 11 сопротивлением 1 МОм. После этого ключ 8 замыкали, между электродами 4 и 5 дополнительно задавали силу тока 50 мкА и на резисторе 6 возникали электрические колебания при приложении разности потенциалов 5 В между электродами 3 и 4. Частота релаксационных колебаний при этом равнялась 20 кГц и их амплитуда равнялась 2 мкА.

Пример 3 аналогичен примеру 2, но в качестве жидкого полупроводника p-типа брали водный раствор трифенилметанового красителя фуксина различной концентрации с шагом 5% от 1 до 20%. Увеличение концентрации фуксина более 20% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1.

Пример 4 аналогичен примеру 2, за исключением того, что в качестве жидкого полупроводника p-типа 1 использовали водный раствор тиазинового красителя метиленового голубого различной концентрации с шагом 5% от 1 до 20%. Увеличение концентрации тиазинового красителя метиленового голубого более 20% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1.

Пример 5 аналогичен примеру 2, но в качестве жидкого полупроводника p-типа использовали водный раствор глюкозы различной концентрации с шагом 10% от 1 до 50%. Увеличение концентрации глюкозы более 50% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1.

Таблица 1.
Зависимость параметров колебаний от вида полупроводника p-типа и его концентрации
№ примеров	Полупроводник p-типа	Концентрация водного раствора	Частота генерируемых колебаний, Гц	Амплитуда генерируемых колебаний, B	Питающее напряжение, В
3	Трифенил-метановый краситель фуксин	1%	15	0,02	30
5%	600	0,08	30
10%	1400	0,85	30
15%	8200	1,46	30
20%	10000	1,8	30
4	Тиазиновый краситель метиленовый голубой	1%	18	0,03	30
5%	450	0,15	30
10%	1300	0,9	30
15%	7500	1,5	30
20%	9800	1,85	30
5	Водный раствор глюкозы	1%	12	0,15	30
10%	380	0,5	30
20%	1300	1,2	30
30%	7600	1,35	30
40%	8200	1,86	30
50%	9600	2	30

Пример 6 аналогичен примеру 2, но расстояние между электродами 3, 4, погруженными в органический полупроводник n-типа 2, меняли с шагом 0,5 мм, между электродами 4 и 5 подавали фиксированное значение силы тока 50 мкА, в результате чего менялись частота, амплитуда колебаний и критическое напряжение возникновения колебаний. Полученные данные отображены в таблице 2.

Таблица 2.
Зависимость критического напряжения возникновения колебаний от расстояния между электродами 3 и 4, введенными в полупроводник n-типа
Полупроводник p-типа	Расстояние между электродами 3 и 4, мм	Частота генерируемых колебаний, Гц	Амплитуда генерируемых колебаний, В	Критическое напряжение возникновения колебаний, В
Трифенилметановый краситель фуксин	0,5	1000000	1,8	5,8
1,0	82000	1,46	6,4
1,5	1400	0,85	6,8
2,0	600	0,08	7,0
2,5	5	0,02	8,2
Тиазиновый краситель Метиленовый голубой	0,5	9600000	1,5	5,5
1,0	85000	1,36	6,3
1,5	2700	0,92	6,9
2,0	450	0,08	7,8
2,5	6	0,01	8,1
Глюкоза	0,5	9300000	1,72	6,7
1,0	6200	1,34	7,3
1,5	1900	0,65	7,6
2,0	320	0,07	8,7
2,5	1	0,015	9,15

Большее расстояние задавать нецелесообразно, так как колебания не наблюдаются.

Пример 7 аналогичен примеру 1, кроме того, что расстояние между электродами 3 и 4 задавали 2,8 мм и изменяли разность потенциалов, приложенную между ними. Полученные данные отображены в таблице 3.

Таблица 3.Зависимость параметров колебаний от питающего напряжения
Полупроводник p-типа	№ опыта	Разность потенциалов между электродами 3 и 4, В	Частота генерируемых колебаний, Гц	Амплитуда генерируемых колебаний, В	Расстояние между электродами 3 и 4, мм
трифенил-метановый краситель -фуксин	1	20	-	-	2,8
2	30	55	0,1	2,8
3	40	2160	0,4	2,8
4	50	5320	0,9	2,8
5	60	65340	1,5	2,8
6	70	9358210	1,9	2,8
7	80	-	-	2,8
Тиазиновый краситель - метиленовый голубой	8	20	-	-	2,8
9	30	155	0,2	2,8
10	40	2570	0,45	2,8
11	50	10530	1,1	2,8
12	60	65450	1,6	2,8
13	70	9698730	1,95	2,8
14	80	-	-	2,8
Глюкоза	15	20	-	-	2,8
16	30	95	0,05	2,8
17	40	960	0,3	2,8
18	50	7260	0,8	2,8
19	60	75630	1,45	2,8
20	70	9469220	1,85	2,8
21	80	-	-	2,8

В опытах 1, 8, 15 колебания не наблюдались по той причине, что напряжение, подаваемое с источника питания 7, составляло менее 30 В, а именно 20 В. В опытах 7, 14, 21 колебания не наблюдались потому, что напряжение, подаваемое с источника питания 7, было более 70 В, а именно 80 В, в результате чего нарушалась структура жидких полупроводников. Результаты опытов 2-5, 9-12, 16-19 свидетельствуют о том, что наблюдаем колебания, по своим параметрам близкие к колебаниям у биологических объектов.

1. Генератор электрических колебаний, содержащий полупроводниковую структуру с электрическими контактами, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой структуры использованы жидкие растворы органических веществ n-типа и р-типа с погруженными игольчатыми электродами в жидкий органический полупроводник n-типа и электрод, погруженный в полупроводник р-типа.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого полупроводника р-типа использован 1-20%-ный водный раствор трифенилметанового красителя фуксина.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого полупроводника р-типа использован водный раствор органического красителя метиленового голубого концентрации 1-20%.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого полупроводника р-типа использован водный раствор глюкозы концентрации 1-50%.

5. Генератор по п.2, отличающийся тем, что в качестве жидкого полупроводника n-типа использован анилин.