Способ генерации сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний

Способ генерации сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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^-2 см², 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.

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_min=0,2 мкм до D_max=400 мкм, до, после или во время нанесения электродов в материал между электродами вводят электронно-колебательные центры в концентрации от 2·10¹² см^-3 до 2·10^-17 см^-3, 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 10³ 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.

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_зв/4π, где V_зв - 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.

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 ϖ²m/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.

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_С/(ξτ), где N_c - эффективное число электронных состояний в зоне проводимости, ξ, - коэффициент оптического поглощения и τ - время жизни электронов в материале между электродами.

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 10³ В/см до 10⁴ 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:

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, p²=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:

Из выражения (3) следует, что с течением времени t при r>0 свободные колебания, описываемые слагаемым, содержащим множитель е^-rt, 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.

В соответствии с пунктом б) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются субгармонические колебания, частоты которых в n=2, 3, 4,… раз меньше частоты возмущающей силы ω.

В соответствии с пунктом в) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются ультрагармонические 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).

В соответствии с пунктом г) среди упругих колебаний содержащего ЭКЦ кристалла имеются ультрасубгармонические 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.

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 p²=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.

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 5·10¹⁵ см^-3 максимум G(p) вблизи центра зоны Бриллюэна в кремнии лежит вблизи частоты р*=4π·2·10¹⁰ 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.

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 10¹⁸ см^-2 и создавали концентрации ЭКЦ не более 5·10¹⁵ см^-3. 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 10¹⁷ см^-3.

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.

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^µ. При этом µ пр