CN108566164B - 一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器 - Google Patents
一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于太赫兹技术领域，主要提供了一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中，其中，共振遂穿二极管用于提供负阻，第一电阻用于提供旁路分流，第一电容用于对太赫兹振荡电路中的寄生电阻和寄生电容产生的寄生低频振荡信号进行过滤，在共振遂穿二极管两端加入工作偏压后使共振遂穿二极管工作在负阻区域，使得太赫兹振荡电路发生持续振荡以产生振荡信号，并驱动负载向外辐射振荡信号，实现了在室温下工作产生太赫兹辐射，并且具有功耗较小以及稳定性较高的特点，解决了现有的太赫兹辐射源因为体积较大，使用过程中需要低温冷却，器件寿命较短，极大的限制了太赫兹辐射源的发展和应用范围的问题。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1到10THz范围的电磁波，其波长在30微米至3毫米之间，该波长范围介于微波和光学光谱(远红外线)之间。太赫兹波因其具有脉宽窄、高带宽、低光子能量、能穿透大部分非金属、非极性物质以及电介质材料，广泛应用于航空航天、海工装备、安防、医疗等领域。
然而，现有的太赫兹辐射源体积较大，使用过程中需要低温冷却，器件寿命较短，极大的限制了太赫兹辐射源的发展和应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器，旨在解决现有的太赫兹辐射源体积较大，使用过程中需要低温冷却，器件寿命较短，极大的限制了太赫兹辐射源的发展和应用范围的问题。
本发明提供了一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路，与工作电压源连接，所述太赫兹振荡电路包括：第一电阻、第一电容、第一电感以及用于提供负阻的共振遂穿二极管；所述第一电阻的第一端、所述第一电容的第一端以及所述第一电感的第一端共接于所述工作电压源的正极端，所述第一电阻的第二端以及所述第一电容的第二端共接于所述工作电压源的负极端，所述共振遂穿二极管的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述共振遂穿二极管的第二端与所述工作电压源的负极端连接。
可选的，所述共振遂穿二极管为InP基的晶圆层结构。
可选的，所述共振遂穿二极管包括层叠设置的第一电极层、收集层、双势垒量子阱结构、发射层以及第二电极层，其特征在于，所述双势垒量子阱结构包括依次层叠设置的第一AlAs势垒层、第一InGaAs势阱层；
所述第一AlAs势垒层靠近所述收集层，所述第二AlAs势垒层靠近所述发射层。
可选的，所述收集层与所述双势垒量子阱结构之间设置有第一间隔层，所述发射层与所述双势垒量子阱结构之间设置有第二间隔层。
可选的，所述第一电极层和所述第二电极层均包括层叠设置的金属钛层、金属钯层以及金属金层。
本发明还提出了一种基于共振遂穿二极管的振荡器，所述振荡器包括如上述任一项所述的太赫兹振荡电路，所述太赫兹振荡电路形成于介质基片上，所述振荡器还包括与所述太赫兹振荡电路连接的天线。
可选的，所述振荡器还包括形成于所述介质基片上的共面波导。
可选的，所述共面波导包括金属钛层以及金属金层；所述金属钛层形成于所述介质基片上，所述金属金层形成于所述金属钛层上。
可选的，所述太赫兹振荡电路中的第一电感由所述共面波导中的短路共面波导形成。
可选的，所述太赫兹振荡电路中的第一电阻由在所述共面波导上沉积镍铬合金形成。
可选的，所述太赫兹振荡电路中的第一电容由在所述介质基片上依次沉积第一金属层、第一绝缘体层以及第二金属层形成。
本发明提供了一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器，其中，共振遂穿二极管用于提供负阻，第一电阻用于提供旁路分流，第一电容用于对太赫兹振荡电路中的寄生电阻和寄生电容产生的寄生低频振荡信号进行过滤，在共振遂穿二极管两端加入工作偏压后使共振遂穿二极管工作在负阻区域，使得太赫兹振荡电路发生持续振荡以产生振荡信号，并驱动负载向外辐射振荡信号，实现了在室温下工作产生太赫兹辐射，并且具有功耗较小以及稳定性较高的特点，解决了现有的太赫兹辐射源因为体积较大，使用过程中需要低温冷却，器件寿命较短，极大的限制了太赫兹辐射源的发展和应用范围的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例中提出的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中的共振遂穿二极管的结构示意图；
图3为本发明实施例中提出的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中的共振遂穿二极管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路，如图1所示，本实施例中的太赫兹振荡电路200与工作电压源100连接，其中，太赫兹振荡电路200包括：第一电阻Re、第一电容Ce、第一电感L以及用于提供负阻的共振遂穿二极管RTD，第一电阻Re的第一端、第一电容Ce的第一端以及第一电感L的第一端共接与工作电压源100的正极端，第一电阻Re的第二端以及第一电容Ce的第二端共接于工作电压源100的负极端，共振遂穿二极管RTD的第一端与第一电感L的第二端连接，共振遂穿二极管RTD的第二端与工作电压源100的负极端连接。
在本实施例中，太赫兹振荡电路利用共振遂穿二极管RTD的负微分电阻的特性，可实现太赫兹频段的振荡。
作为本发明一实施例，在本实施例中的共振遂穿二极管为InP基的晶圆层结构。
作为本发明一实施例，共振遂穿二极管RTD还与负载300并联连接，具体的，共振遂穿二极管RTD的第一端与负载300的第一端连接，共振遂穿二极管RTD的第二端与负载300的第二端连接。
作为本方案一实施例，共振遂穿二极管RTD的第一端为共振遂穿二极管RTD的发射区，共振遂穿二极管RTD的第二端为共振遂穿二极管RTD的集电区。
作为本方案一实施例，共振遂穿二极管RTD的发射区和集电区可以根据用户需要进行互换。
在本实施例中，第一电阻Re作为分流旁路电阻对电流进行分流，第一电容Ce作为旁路电容以过滤掉电路中由寄生电阻和电容引起的寄生低频振荡信号，当工作电压源100达到一定的偏压后，共振遂穿二极管RTD工作的负阻区域，其相应的等效电路为自身电容Cn并联负阻-Gn，此时电路会发生振荡而产生太赫兹波辐射，具体的，辐射的频率以及功率可以根据调节电路中元器件的参数进行设置。
在本实施例中，太赫兹振荡电路中接入的负载端的阻抗为GL，在基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中，当整个太赫兹振荡电路的电导为负的时候，振荡才会发生并且持续振荡，如果整个太赫兹振荡电路的电导为正，则电路会发生能量衰减，振荡幅度会持续减小直至能量耗尽导致振荡消失。
具体的，当整个太赫兹振荡电路的电导为负的时候，必须满足：
GLoad-GSource<0
GL-Gn<0
GL<Gn
因此，为使太赫兹振荡电路得到最大输出功率，Gn的值通常选为Gn≌2GL。
根据基尔霍夫电流定律分析太赫兹振荡电路可得：
Gn＝(3ΔI)/(2ΔV)
Poutput max＝(3/16)*(ΔI)*(ΔV)
太赫兹振荡电路最大输出功率与共振遂穿二极管RTD在工作偏压下的峰谷电压差和电流差的绝对值大小有关，因此峰谷电压差和电流差越大，电路输出功率也越大。
太赫兹振荡电路的振荡频率是由Cn(共振遂穿二极管RTD的自身电容值)和太赫兹振荡电路中的第一电感L所决定。振荡电路的振荡频率的计算公式为：
f0＝1/(2π*(L*C)1/2)
当电感值增大，振荡频率就会减小。这些振荡会共振遂穿二极管RTD负阻区域的DC测试结果。当电路中出现偏置振荡时，在设计振荡频率点的RF射频出射功率就会减小。为了抑制偏置振荡，通常在电路里添加一个分流旁路电阻Re作为电路稳定电阻。分流旁路电阻Re保证电路的总电阻为正，有效地抵消RTD器件负阻状态的负电阻阻抗。
因此为了保证电路在直流状态的稳定性(低频振荡受抑制)，需要电路的电导实部为正：
Yreal＝(1/Re)-Gn﹥0
因此，得到：
Re<(1/Gn)
作为本发明一实施例，图2为本发明实施例中提出的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中的共振遂穿二极管的结构示意图，如图2所示，本实施例中的共振遂穿二极管RTD包括层叠设置的第一电极层10、收集层20、双势垒量子阱结构40、发射层60以及第二电极层70，其中，双势垒量子阱结构40包括依次层叠设置的第一AlAs势垒层41、第一InGaAs势阱层42和第二AlAs势垒层43。在本实施例中，第一AlAs势垒层41靠近收集层20，第二AlAs势垒层43靠近发射层60。
作为本发明一实施例，第一AlAs势垒层41的厚度为所述第二AlAs势垒层43的厚度为/>当势垒层厚度太厚时，峰电流密度会减少，而在本发明实施例的所述厚度范围内更有益于将共振遂穿二极管RTD的峰电流密度保持在较高水平。
作为本发明一实施例，收集层20包括Si掺杂浓度为2-3×1019cm-1的第一InGaAs掺杂层21和Si掺杂浓度为2-3×1018cm-1的第二InGaAs掺杂层22；发射层60包括Si掺杂浓度为2-3×1019cm-1的第三InGaAs掺杂层63、Si掺杂浓度为2-3×1018cm-1的第四InGaAs掺杂层61以及设置于第三InGaAs掺杂层63以及第四InGaAs掺杂层61之间的第一InAlAs层，其中，第二InGaAs掺杂层22以及第四InGaAs掺杂层61靠近所述双势垒量子阱结构40。
作为本发明一实施例，第二InGaAs掺杂层的厚度为第四InGaAs掺杂层的厚度为/>第一InGaAs掺杂层的厚度为/>第三InGaAs掺杂层的厚度为/>以上四层厚度的选取范围可满足收集区/发射区高掺杂浓度的需求，有利于电子的遂穿与电流的导通。
作为本发明一实施例，图3为本发明实施例中提出的一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路中的共振遂穿二极管的结构示意图，如图3所示，收集层20与双势垒量子阱结构40之间设置有第一间隔层31，发射层60与双势垒量子阱结构40之间设置有第二间隔层51。
具体的，第一间隔层31以及第二间隔层51主要是隔离发射层/接收层与未掺杂的双势垒区。
作为本发明一实施例，第一间隔层31以及第二间隔层51均为未掺杂的InGaAs层。
作为本发明一实施例，第一电极层10和第二电极层70均包括层叠设置的金属钛层、金属钯层以及金属金层。具体的，如图3所示，第一电极层10包括层叠设置的第一金属钛层13、第一金属钯层12以及第一金属金层11，第二电极层70包括层叠设置的第二金属钛层73、第二金属钯层72以及第二金属金层71。
本发明实施例还提供了一种基于共振遂穿二极管的振荡器，本实施例中的振荡器包括如上述任一实施例所述的太赫兹振荡电路，其中，本实施例中的太赫兹振荡电路形成于介质基片上，本实施例中的振荡器还包括与太赫兹振荡电路连接的天线。
在本实施例中，与太赫兹振荡电路连接的天线可以为截止基片上形成的集成片上天线或者外接的喇叭天线。具体的，天线用于将产生的太赫兹辐射波传输到自由空间中。
作为本发明一实施例，本实施例中的振荡器还包括形成于介质基片上的共面波导。具体的，在介质基片上的第一面形成中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧形成导体平面形成共面波导，由于中心导体带与导体平面形成在同一平面内，因此更方便于根据需要安装元器件。
作为本发明一实施例，所述共面波导包括金属钛层以及金属金层。具体的，金属钛层以及金属金层层叠形成，金属钛层形成于介质基片上，金属金层形成于金属钛层上。
作为本发明一实施例，本实施例中的第一电感由共面波导中的短路共面波导形成。
作为本发明一实施例，本实施例中的第一电阻由在共面波导上沉积镍铬合金形成。
作为本发明一实施例，本实施例中的的第一电容由在所述介质基片上依次沉积第一金属层、第一绝缘体层以及第二金属层形成。
在本实施例中，实现基于共振遂穿二极管RTD的振荡器，能够在室温下工作，本实施例中的振荡器通过微纳加工工艺制备，具有高度集成的特点，并且同时满足高频率和高功率。
本发明提供了一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器，通过采用共振遂穿二极管产生震荡信号，并通过振荡单元对所述振荡信号进行处理以驱动负载，其中，共振遂穿二极管两端在加入偏压后工作在负阻区域，使太赫兹振荡电路发生振荡，产生太赫兹辐射，实现了在室温下工作产生太赫兹辐射，并且具有功耗较小以及稳定性较高的特点，解决了现有的太赫兹辐射源因为体积较大，使用过程中需要低温冷却，器件寿命较短，极大的限制了太赫兹辐射源的发展和应用范围的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路，与工作电压源连接，其特征在于，所述太赫兹振荡电路包括：第一电阻、第一电容、第一电感以及用于提供负阻的共振遂穿二极管；
所述第一电阻的第一端、所述第一电容的第一端以及所述第一电感的第一端共接于所述工作电压源的正极端，所述第一电阻的第二端以及所述第一电容的第二端共接于所述工作电压源的负极端，所述共振遂穿二极管的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述共振遂穿二极管的第二端与所述工作电压源的负极端连接；
所述共振遂穿二极管的第一端为所述共振遂穿二极管的发射区，所述共振遂穿二极管的第二端为所述共振遂穿二极管的集电区；
所述第一电阻作为分流旁路电阻对电流进行分流，所述第一电容作为旁路电容以过滤掉电路中由寄生电阻和电容引起的寄生低频振荡信号；当所述工作电压源达到预设偏压后，所述共振遂穿二极管工作在负阻区域，所述共振遂穿二极管的等效电路为自身电容并联负阻；当所述太赫兹振荡电路的电导为负，所述太赫兹振荡电路持续振荡；所述太赫兹振荡电路的电导为正，则所述太赫兹振荡电路发生能量衰减，所述太赫兹振荡电路的振荡幅度持续减小直至能量耗尽导致振荡消失；所述分流旁路电阻用于调节所述太赫兹振荡电路的总电阻为正；
所述太赫兹振荡电路的电导实部为正。
2.如权利要求1所述的太赫兹振荡电路，其特征在于，所述共振遂穿二极管为InP基的晶圆层结构。
3.如权利要求2所述的太赫兹振荡电路，其特征在于，所述共振遂穿二极管包括层叠设置的第一电极层、收集层、双势垒量子阱结构、发射层以及第二电极层，所述双势垒量子阱结构包括依次层叠设置的第一AlAs势垒层、InGaAs势阱层、第二AlAs势垒层；
所述第一AlAs势垒层靠近所述收集层，所述第二AlAs势垒层靠近所述发射层。
4.如权利要求3所述的太赫兹振荡电路，其特征在于，所述收集层与所述双势垒量子阱结构之间设置有第一间隔层，所述发射层与所述双势垒量子阱结构之间设置有第二间隔层。
5.如权利要求3所述的太赫兹振荡电路，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层均包括层叠设置的金属钛层、金属钯层以及金属金层。
6.一种基于共振遂穿二极管的振荡器，其特征在于，所述振荡器包括如权利要求2-5任一项所述的太赫兹振荡电路，所述太赫兹振荡电路形成于介质基片上，所述振荡器还包括与所述太赫兹振荡电路连接的天线。
7.如权利要求6所述的振荡器，其特征在于，所述振荡器还包括形成于所述介质基片上的共面波导。
8.如权利要求7所述的振荡器，其特征在于，所述第一电感由所述共面波导中的短路共面波导形成。
9.如权利要求7所述的振荡器，其特征在于，所述第一电阻由在所述共面波导上沉积镍铬合金形成。
10.如权利要求6所述的振荡器，其特征在于，所述第一电容由在所述介质基片上依次沉积第一金属层、第一绝缘体层以及第二金属层形成。
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Non-Patent Citations (1)
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