CN102495321B

CN102495321B - 半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法

Info

Publication number: CN102495321B
Application number: CN201110431424.XA
Authority: CN
Inventors: 王长; 曹俊诚
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102495321A

Abstract

本发明提供一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，包括：提供具有负微分漂移速度效应的半导体纳米器件，将电压

的直流电场作用于半导体纳米器件，使得半导体纳米器件产生电流振荡并进入周期性的自振荡状态，自振荡频率为

；对半导体纳米器件再叠加作为激励的交流信号

的交流电场；在稳定状态下，利用第一返回图中数据点的分布状况而识别出半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态；第一返回图是通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的，其中J_m是系统在mT_ac时刻的电流密度采样值J(mT_ac)，T_ac是外加交流信号的周期，T_ac=1/f_ac。相较于现有技术，本发明具有操作简单、识别简便且准确的优点。

Description

半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法。

背景技术

在过去的二十年里，半导体固态系统以及液态和化学系统中的时空混沌特性得到了人们的广泛关注。当所研究的系统被外加的不可测量频率(即外加信号的频率与系统的频率之比为无理数)的信号驱动时，系统的动力学特性将变得非常复杂，表现出周期、准周期以及混沌等不同的动力学性质。

近年来，碳基半导体材料与光电器件研究得到了人们的广泛关注。碳纳米管是由碳原子组成的一种结构简单的准一维纳米材料。根据手性特征的不同，碳纳米管可以表现出半导体、绝缘体以及金属的性质。

碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以碳纳米管具有很好的电学性能。由于半导体碳纳米管具有独特的电学性质，并且在半导体光电器件研究方面表现出很大潜力，从而引起人们的广泛关注。

目前，人们已经利用碳纳米管研制出了场效应晶体管、电光转换器件以及微机电传感器等微纳电子器件，这些器件表现出了较好的物理特性，甚至可以在室温下工作。因此，半导体碳纳米管在新型光电器件应用领域具有巨大的应用潜力和经济效益。

理论和实验研究发现，占据半导体碳纳米管低能级的电子在直流电场作用下能够跃迁到高能级，电子的有效质量变大，导致电子漂移速度增大到一个极大值后变小，出现负微分漂移速度效应。半导体碳纳米管中电子的漂移速度峰值可以达到5×10⁵m/s。利用漂移速度的负微分效应，人们可以研制基于半导体碳纳米管的类耿氏振荡器，即在碳纳米管中形成周期性运动的空间电荷畴，从而在外电路中产生有规律的周期性电流振荡，其振荡频率处于太赫兹(THz)频率范围。因此，半导体碳纳米管可以用于设计THz辐射源。如果在自振荡的碳纳米管THz振荡器上叠加一个交流小信号，且所述交流信号的频率为自振荡频率的

倍，则碳纳米管振荡器的电流振荡将会变得很复杂，表现出周期、混沌等不同的电流振荡模式。如何区分、辨别这些不同的电流振荡状态是一个重要课题。在现有技术中，可以利用李雅普诺夫指数、分维数或者关联维数等方法判断非线性运动状态，但上述各个方法的计算过程极其复杂且运算量大，在工程实际应用中存在很大困难。因此，如何提供一种实用的识别半导体非线性振荡系统中的混沌信号的方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，用于解决在现有技术中识别不同电流振荡状态存在计算过程复杂且运算量大等问题。

本发明提供一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，包括：步骤一，提供具有负微分漂移速度效应的半导体纳米器件，将电压V_dc的直流电场作用于所述半导体纳米器件，使得所述半导体纳米器件构成半导体非线性振荡系统并产生电流振荡并进入周期性的自振荡状态，其中，自振荡频率为f₀；步骤二，对进入自振荡状态的所述半导体纳米器件再叠加作为激励的交流信号V_acsin(2πf_act)的交流电场；步骤三，在稳定状态下，利用第一返回图中数据点的分布状况而识别出所述半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态；所述第一返回图是通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的，其中J_m是系统在mT_ac时刻的电流密度采样值J(mT_ac)，T_ac是外加交流信号的周期，T_ac＝1/f_ac。

可选地，所述产生与识别方法还包括步骤四：改变叠加的交流信号的振幅V_ac，利用光谱仪得到所述半导体纳米器件在不同交流电压下产生的电流信号的频谱，获得非线性信号的能量分布特征。

可选地，在步骤一中，在电压V_dc的直流电场作用下，所述半导体纳米器件中电子的运动可以通过漂移-扩散方程来描述；通过数值求解漂移-扩散方程，得到电子浓度和电场的时空分布特性以及电流随时间的演化。

可选地，所述第一返回图是通过如下方式获得的：在所述半导体纳米器件的电流响应进入稳定状态以后，对于每一个激励交流电压V_ac，每隔一个激励周期T_ac，采样记录一个电流值；记录一定数量的交流信号激励周期的电流值；通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数获得第一返回图。

可选地，所述半导体纳米器件为半导体碳纳米管二极管，其手性指数n＝25，掺杂浓度为掺杂浓度N_d＝1×10¹⁷cm^-3。

可选地，叠加的所述交流信号的振荡频率f_ac＝Gf₀，其中，

可选地，所述电流信号的运动状态包括：周期运动、准周期运动和混沌运动。

本发明技术方案是利用在半导体纳米器件上叠加交流信号后表现出周期和混沌等不同的电流振荡模式的特点，通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的第一返回图中的数据点的分布状况而识别出半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态，相对于现有技术，具有操作简单、识别简便且准确的优点。

附图说明

图1为本发明半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法在第一实施方式中的流程示意图。

图2为本发明半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法在第二实施方式中的流程示意图。

图3为本发明半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法在具体实例中的电路示意图。

图4显示了直流偏压为V_dc＝0.75V时的电流随时间演化的示意图。

图5a和图5b，显示了叠加的交流信号在不同交流电压振幅下呈现的电流振荡图像，其中，图5a显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.116V时呈现的电流振荡图像，图5b显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.193V时呈现的电流振荡图像。

图6a和图6b显示了叠加的交流信号在不同交流电压振幅下呈现的第一返回图，其中，图6a显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.116V时呈现的第一返回图，图6b显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.193V时呈现的第一返回图。

具体实施方式

本发明的发明人发现：在现有技术中，可以利用李雅普诺夫指数、分维数或者关联维数等方法来判断电流振荡模式，但上述各个方法的计算过程极其复杂且运算量大，在工程实际应用中存在很大困难。因此，为防止上述各个问题，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，主要是利用刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的第一返回图中的数据点的分布状况而识别出半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态，具有操作简单、识别简便且准确的优点。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1为本发明半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法在第一实施方式中的流程示意图。如图1所示，所述产生与识别方法包括如下步骤：

步骤S101，提供半导体纳米器件，将电压V_dc的直流电场作用于所述半导体纳米器件，使得所述半导体纳米器件构成半导体非线性振荡系统并产生电流振荡并进入周期性的自振荡状态，其中，自振荡频率为f₀；

步骤S103，对进入自振荡状态的所述半导体纳米器件再叠加作为激励的交流信号V_acsin(2πf_act)的交流电场；

步骤S105，在稳定状态下，利用第一返回图中数据点的分布状况而识别出所述半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态；所述第一返回图是通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的，其中J_m是系统在mT_ac时刻的电流密度采样值J(mT_ac)，T_ac是外加交流信号的周期，T_ac＝1/f_ac。

请参阅图2，其显示了本发明半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法在第二实施方式中的流程示意图。相比于图1所示的第一实施方式，在第二实施方式中，还包括：

步骤S107，改变叠加的交流信号的振幅V_ac，利用光谱仪得到所述半导体纳米器件在不同交流电压下产生的电流信号的频谱，获得非线性信号的能量分布特征。

在上述第一实施方式和第二实施方式中，利用在半导体纳米器件上叠加交流信号后表现出周期和混沌等不同的电流振荡模式的特点，通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的第一返回图中的数据点的分布状况而识别出半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态。

以下以具体实例对上述描述进行详细说明。在本具体实例中，我们是以是基于半导体碳纳米管的两端器件(以下简称为：半导体碳纳米管二极管)为例进行说明的，所述半导体碳纳米管二极管中电子的速度-电场关系具有负微分漂移速度效应，即随着电场的增大，漂移速度增大到一个极大值后减小。但，并不以此为限，在其他情况下，只要存在这样的半导体纳米器件，其电子的速度-电场关系具有负微分漂移速度效应，则所述半导体纳米器件即可应用于本发明。

首先，如提供有产生与识别电路示意图的图3所示：

提供半导体碳纳米管C，半导体碳纳米管C的直径为2nm，长度为300nm，手性指数n＝25，掺杂浓度为N_d＝1×10¹⁷cm^-3；

将半导体碳纳米管二极管C置于Si衬底上形成的SiO₂绝缘层I；

半导体碳纳米管二极管C通过其两端的两个欧姆接触电极D1、D2与外电场(包括直流电压源11和函数发生器12)和探测电路(包括数字示波器13和光谱仪14)相连接，其中，直流电压源11配置有电阻R和电感L，函数发生器12配置有电阻R和电容C1，数字示波器13配置有电容C2，光谱仪14配置有电容C3。

接着，在t＝0时刻，将直流电压源11产生的直流电压V_dc作用于半导体碳纳米管二极管C上，在直流电场作用下，半导体碳纳米管二极管C中电子形成周期性运动的电荷畴，产生电流振荡。在这里，碳纳米管二极管工作温度为T＝10K，置于液氦制冷的低温杜瓦中。电流信号通过导线(例如同轴电缆线)引出，利用数字示波器13记录电流信号随时间的演化关系，利用光谱仪14分析电流信号的频谱特性。

需说明的是，在直流电场作用下，半导体碳纳米管二极管C中电子的运动可以通过漂移-扩散方程来描述。通过数值求解漂移-扩散方程，可以得到电子浓度和电场的时空分布特性以及电流随时间的演化。图4给出了直流偏压为V_dc＝0.75V时的电流随时间演化的示意图，如图4所示，在经历了短暂的瞬态过程之后，电流信号进入了稳定的周期性自振荡状态，自振荡频率为f₀＝1.69THz。

接着，在系统的电流振荡进入稳定状态后，利用函数发生器产生交流信号V_acsin(2πf_act)，在t＝3.928ps时刻，将交流信号V_acsin(2πf_act)作为激励叠加在进入自振荡状态的半半导体碳纳米管二极管C的两端。

当在自振荡的碳纳米管系统上叠加一个交流电流后，系统的电流振荡将出现明显的变化，电流振荡的模式受到外加交流电场的振幅的影响，呈现出包括周期和混沌等不同的状态。请参阅图5a和图5b，显示了叠加的交流信号在不同交流电压振幅下呈现的电流振荡图像，其中，图5a显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.116V时呈现的电流振荡图像，图5b显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.193V时呈现的电流振荡图像。在图5a和图5b中，交流信号V_acsin(2πf_act)中的振荡频率

参看图5a和图5b，可以看出，在图5a中，在V_ac＝0.116V时，电流振荡现象比较复杂，属于混沌状态；而在图5b中，在V_ac＝0.193V时，电流振荡表现出有规则的振荡模式，属于周期运动。

为了区分这些非线性运动状态的性质，我们需要借助于其它分析手段。第一返回图就是一种非常有效的非线性运动状态鉴别手段。

在系统的电流响应进入稳定状态以后，在半导体碳纳米管二极管C的电流响应进入稳定状态以后，对于每一个激励交流电压V_ac，每隔一个激励周期T_ac，采样记录一个电流值；记录一定数量(例如300个)的交流信号激励周期的电流值；通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数获得第一返回图，其中J_m是系统在mT_ac时刻的电流密度采样值J(mT_ac)，T_ac是外加交流信号的周期，T_ac＝1/f_ac。

利用第一返回图中数据点的分布状况而识别出半导体碳纳米管二极管C中电流信号的运动状态。具体来讲，如果电流信号的运动状态属于n-周期运动状态，其第一返回图是n个独立的点；如果电流信号的运动状态属于准周期运动状态，其第一返回图表现为数据点均匀分布的闭合曲线；如果电流信号的运动状态属于混沌运动状态，其第一返回图中的数据点分布很不均匀，形成不规则的图形。

图6a和图6b显示了叠加的交流信号在不同交流电压振幅下呈现的第一返回图，其中，图6a显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.116V时呈现的第一返回图，图6b显示了叠加的交流信号在交流电压振幅为V_ac＝0.193V时呈现的第一返回图。从图6a和6b中可以看出，在V_ac＝0.116V时，其第一返回图中的数据点分布很不均匀，符合混沌运动状态的判定；而当V_ac＝0.193V时，第一返回图显示的是两个独立的点，表明系统进入频率锁定的2-周期运动状态。

额外地，利用图3的装置，我们还可以得到非线性运动状态的频谱图。改变叠加的交流信号的振幅V_ac，利用光谱仪14可以得到半导体碳纳米管二极管C在不同交流电压下产生的电流信号的频谱，这些频谱图也能揭示周期信号和混沌信号的能量分布特征，其中，n-周期信号的能量主要分布在f＝(i/n)f_ac(i＝1，2，3，...)附近，而混沌信号的能量分布范围较广，除了在f＝if_ac处出现能量峰值外，在其他频率点附近也有较大的能量分布。

综上所述，具有负微分漂移速度效应的半导体纳米器件在直流电压偏置下会表现出电流自振荡现象，当再叠加一个微小的交流电压信号时，半导体纳米器件的电流振荡表现出周期和混沌等不同的电流振荡模式，这些不同振荡模式的出现与外加交流信号的振幅和频率有关，本发明技术方案是利用上述特征，通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的第一返回图中的数据点的分布状况而识别出半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态，相对于现有技术，具有操作简单、识别简便且准确的优点。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，包括：

步骤一，提供具有负微分漂移速度效应的半导体纳米器件，将电压V_dc的直流电场作用于所述半导体纳米器件，使得所述半导体纳米器件构成半导体非线性振荡系统并产生电流振荡并进入周期性的自振荡状态，其中，自振荡频率为f₀；

步骤二，对进入自振荡状态的所述半导体纳米器件再叠加作为激励的交流信号V_acsin(2πf_act)的交流电场，其中V_ac为所述交流信号振幅，f_ac为所述交流信号的振荡频率；

步骤三，在稳定状态下，利用第一返回图中数据点的分布状况而识别出所述半导体非线性振荡系统中电流信号的运动状态；所述第一返回图是通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数来获得的，其中J_m是系统在mT_ac时刻的电流密度采样值J(mT_ac)，m为正整数，T_ac是所述交流信号的周期，T_ac=1/f_ac。

2.如权利要求1所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，还包括步骤四：改变叠加的所述交流信号的振幅V_ac，利用光谱仪得到所述半导体纳米器件在不同交流电压下产生的电流信号的频谱，获得非线性信号的能量分布特征。

3.如权利要求1所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，在步骤一中，在电压V_dc的直流电场作用下，所述半导体纳米器件中电子的运动可以通过漂移-扩散方程来描述；通过数值求解漂移-扩散方程，得到电子浓度和电场的时空分布特性以及电流随时间的演化。

4.如权利要求2所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，所述第一返回图是通过如下方式获得的：

在所述半导体纳米器件的电流响应进入稳定状态以后，对于每一个所述交流信号V_acsin(2πf_act)，每隔一个所述交流信号的周期T_ac，采样记录一个电流值；

记录一定数量的所述交流信号周期T_ac的电流值；

通过刻画电流密度J_m+1作为J_m的函数获得第一返回图。

5.如权利要求1所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，所述半导体纳米器件为半导体碳纳米管二极管，其手性指数n=25，掺杂浓度为N_d=1×10¹⁷cm^-3。

6.如权利要求1或5所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，叠加的所述交流信号的振荡频率f_ac=Gf₀，其中，

7.如权利要求1或2所述的半导体非线性振荡系统中非线性信号的产生与识别方法，其特征在于，所述电流信号的运动状态包括：周期运动、准周期运动和混沌运动。