DE202009000898U1

DE202009000898U1 - Ultrahochfrequenz-Generator elektromagnetischer Oszillationen und Wellen

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Publication number: DE202009000898U1
Application number: DE202009000898U
Authority: DE
Original assignee: TECHNOPRIZER Ltd; Technoprizer Ltd Road
Current assignee: TECHNOPRIZER Ltd; Technoprizer Ltd Road
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2019-01-24

Abstract

Generator für elektromagnetische ultrahochfrequente (UHF) Schwingungen und Wellen mit einem UHF-Resonanzsystem in der Form von einem Schwingungsschaltkreis, einem Resonator, und/oder einer wellenleitenden, koaxialen, streifenleitungsförmigen oder wellenverzögernden Struktur und mit einem Halbleitermaterial mit Elektroden, die Kontakte zum Halbleitermaterial bilden, zwischen denen ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei das Material zwischen den Elektroden auf das UHF-Resonanzsystem abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass irgendein nicht entartetes oder schwach entartetes Halbleitermaterial verwendet ist, auf dessen Oberfläche oder in dessen Volumen die Elektroden gebildet sind, die Gleichrichterkontakte zum Halbleiter bilden, wie z. B. Metall-Halbleiter-Kontakte wie Schottky-Kontakte, der Abstand zwischen den Elektroden D in den Grenzen von D_min = 0,2 mkm bis D_max = 400 mkm gewählt ist, das Material zwischen den Elektroden Elektronen-Schwingungs-Zentren (ESZs) mit einer Konzentration von 2 × 10¹² cm^–3 bis 2 × 10¹⁷ cm^–3 enthält, wobei zwischen den Elektroden eine externe elektrische Spannung angelegt ist, die in dem Material zwischen den Elektroden...

Description

Gebiet der Technik der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die Festkörper-(Halbleiter)Elektronik von ultrahohen Frequenzen und kann sowohl für die Erzeugung, als auch für die Synchronisation, die Detektion, die Verstärkung und die Umwandlung von ultrahochfrequenten (UHF) elektromagnetischen Schwingungen und Wellen zur Anwendung kommen. Die Erfindung basiert auf der Anwendung von Elektronen-Schwingungs-Zentren (ESZ) und mit ihnen verbundenen Elektronenschwingungsübergängen in den Halbleitermaterialien, auf der Eignung der ESZ, eine effektive Wechselwirkung der Schwingungen der Atomkerne in den Materialatomen (Inhärent, die I-Schwingungen) mit den Elektronen, den Löchern und mit den Schwingungen des kristallinen Gitters (Phononen), und einer Synchronisation ihrer Schwingungen durch einen äußeren Einfluss. Mit anderen Worten, die Erfindung basiert auf der Anwendung der starken Elektronenphonenenwechselwirkung auf den ESZ in Halbleitermaterialien.
Die theoretischen Grundlagen der modernen Festkörperelektronik beinhalten die allbekannte adiabatische Born-Oppenheimer-Näherung [1], die gewöhnlich bei der Lösung der Schrödinger Gleichung für einen Kristall verwendet wird. Diese Nahrung schließt die Möglichkeit des Energieaustauschs zwischen Elektronen und dem Atomkern in Kristallen aus. Es ist offensichtlich, dass das adiabatische Born-Oppenheimer Prinzip den Kreis der erforschbaren und nutzbaren physikalischen Prozesse in den Materialien begrenzt. Tatsächlich war P. Dirak [2] der erste, der gezeigt hat, dass das vorliegende Prinzip eigentlich nicht erfüllt wird, und weitere Forschungen [3, 4] haben das Verständnis der Beschränktheit der adiabatischen Näherung an das Problem der Festkörper überhaupt und der Festkörperelektronik im Besonderen konsolidiert. In diesem Zusammenhang kann die existierende, in der Wissenschaft und Technik vorherrschende Festkörper-(Halbleiter)Elektronik adiabatische Elektronik genannt werden. Diese adiabatische Elektronik beantwortet viele Fragen über die Natur von Kristallen und physischen Erscheinungen in ihnen nicht, wie z. B. die Superleitfähigkeit, die Hyperleitfähigkeit, die Super-Wärmeleitfähigkeit, den Elektronenwiderstand durch Phononen bei Debye-Temperaturen der Phononen. Die adiabatische Elektronik beschränkt die Forschung und die Anwendung der Materialien, was insbesondere an der Nutzung des adiabatischen Ansatzes bzw. der adiabatischen Born-Oppenheimer-Näherung liegt.
Hingegen basiert diese Erfindung auf der Verwendung der prinzipiellen Möglichkeit des Energieaustausch zwischen den Elektronen und den Atomkernen in den Materialien. Solche Elektronik greift über das adiabatische Prinzip (die adiabatische Born-Oppenheimer-Näherung) hinaus. Sie kann definitiv nicht adiabatische Festkörperelektronik genannt werden. Tiefgehende Forschungen der nicht adiabatischen Elektronik von Materialien sind, soweit uns bekannt ist, bislang nicht durchgeführt worden. In der Mitte des vorigen Jahrhunderts wurden theoretische und experimentelle Forschungen, die auf nicht adiabatische Elektronik bezogen sein könnte, in Verbindung mit den Färbungszentren in alkalisch-halogenen Kristallen durchgeführt. In diesen Arbeiten wurden Elektronenschwingungszentren in dielektrischen Kristallen erforscht. Insbesondere wurde gezeigt, dass die charakteristische Färbung der Kristalle durch das Vorhandensein des breiten Bandes von optischer Absorption durch ESZs, die einen Teil des sichtbaren Spektrums abdecken, definiert ist. Die Möglichkeit der ESZ-Existenz in Halbleitern wurde dann in Zweifel gestellt, und die entsprechenden Forschungen wurden über Jahrzehnte tatsächlich nicht durchgeführt. Gleichzeitig zeigte es sich, dass die ESZs gerade in Halbleitern viele physikalische Eigenschaften, die im Rahmen der adiabatischen Elektronik prinzipiell nicht beschrieben werden können, bestimmen, obwohl diese Eigenschaften wichtig für die Wissenschaft und auch für technische Anwendungen sind.
In den letzten Jahren wurden handfeste Daten zum Beweis der Unannehmbarkeit der adiabatischen Näherung zur Beschreibung der physikalischen Eigenschaften einiger exotischer Stoffe erlangt, die insbesondere den Arbeiten [5, 6] beschrieben wurden. Noch früher wurde bekannt, dass Halbleiter mit ESZs nicht unter Verwendung der adiabatischen Näherung beschrieben werden können [7–9]. Auf diese Weise wird der Stereotyp des Lehrsatzes, der auf der adiabatischen Näherung gegründet ist und in der Quantenphysik der Materialien seit fast hundert Jahren existiert, allmählich überwunden. Das Studium und die Anwendung der Materialeigenschaften unabhängig von der adiabatischen Näherung werden aktuell.
Die vorliegende Erfindung und einige schon bekannte technische Lösungen, bei denen die Verletzung des adiabatischen Prinzips gerade und durch die ESZs verursacht wird [10], sind auf die nicht adiabatische Elektronik bezogen.
Die lokalen Zentren in Kristallen werden Elektronenschwingungszentren oder ESZs genannt, wenn ihre Gleichgewichtslagen und (oder) die Frequenzen der elastischen Schwingungen von ihrem Elektronenzustand abhängen. Die Elektronenübertritte auf die energetischen Elektronenschwingungsniveaus der ESZs sind mit der unvermeidlichen Teilnahme der Schwingungen der kristallinen Netzwerk-Phononen und mit eigenen(Inhärenten, I-)Schwingungen von Atomkernen der Materialien verknüpft und werden deshalb Elektronenschwingungsübergänge genannt. Die ESZs in den Kristallen bilden den Kanal des Energieaustauschs zwischen Elektronen und Atomkernen bei Teilnahme von Phononen und Eigen-(I-)Schwingungen der Atomkerne, und die technischen Lösungen, die diesen Energieumsatz verwenden, bilden eine grundsätzlich neue nicht adiabatische Festkörperelektronik.
Stand der Technik
Derzeit sind verschiedene Geräte zur Erzeugung, Verstärkung, Synchronisation, Detektion und Transformation von Frequenzen von UHF elektrischen Schwingungen und Wellen mit verschiedener Energie bekannt und werden praktisch eingesetzt. Verschiedene Elektrovakuumgeräte werden zu diesem Zweck verwendet: Radioröhren, Klystronen, Wanderfeldröhren und Echowellenröhren, Magnetrons. Daneben werden für solche Zwecke Festkörperhalbleitergeräte und integrierte Schaltkreise verwendet, wie auch UHF-Transistoren und UHF-integrierte Schaltkreise, Tunnel-Halbleiterdioden, Gunn-Dioden, Lawinenlaufzeitdioden (IMPATT).
In den letzten Jahren wurden Phasenantennengitter weitläufig in Bord- und Land-UHF-Radars für zivile und besondere Zwecke eingesetzt. In diesem Bezug ist der Bedarf an kleinen, aber genügend leistungsfähigen, zuverlässigen und stabilen UHF-Generatoren gestiegen. Der bevorzugte Weg zur Erzeugung von UHF-Schwingungen in solchen Geräten erfolgt mit Halbleitertransistoren. Die für diesen Zweck verwendeten Transisto ren sollten scharfe Bedingungen erfüllen: Verstärkungsgrenzfrequenz größer als 10 GHz, geringes Eigenrauschen, Generation von Leistung von mindestens 10 Watt, Hochtemperaturstabilität und Zuverlässigkeit. Weit nicht alle Transistoren, die industriell hergestellt werden, erfüllen diese Forderungen. Deshalb werden weitere Entwicklungen von Transistoren für solche Zwecke konstant durchgeführt. Normalerweise sind dies Geräte basierend auf Halbleitern mit breiten verbotenen Energiezonen (Transistoren basierend auf Breitbandhalbleitern) und superhohen Driftbeweglichkeiten von Elektronen (Löcher). Insbesondere wurden Transistoren basierend auf Gallium Arsenid (GaAs) und Indium Phosphid (InP) entwickelt. Später wurden heterostrukturbasierte Transistoren mit Quantenwannen und hohen Driftbeweglichkeiten von Elektronen entwickelt, z. B. solche basierend auf GaAl/GaAs Heterostrukturen. Feldtransistoren, die auf solchen Strukturen aufgebaut sind (HEMT-Transistoren) besitzen akzeptable Schwingungsfrequenzgrenzen, relativ niedriges Eigenrauschen, ziemlich steile Funktionen und hohe Stabilität. Entwicklungen wurden durchgeführt, um rauscharme UHF-HEMT-Transistoren basierend auf Halbleiterkomponenten von Galliumnitrid (GsN) und Alluminiumnitrid (AlN) zu erhalten.
Eigenrauschen in Halbleitergeräten wird primär durch Fluktuationen der Bewegung der elektrischen Ladungsträger durch zulässige Freiheitsgrade verursacht. Entsprechend der Thermodynamik und statistischen Physik nimmt bei der absoluten Temperatur T jeder Freiheitsgrad eine spezifische Energie gleich kT/2, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist, und bei drei Freiheitsgraden in einem Halbleiter Energie von 3 kT/2 zutrifft. Fluktuationen dieser Energie von Elektronen in Halbleitermaterialien verursachen ein bestimmtes Niveau von Eigenrauschen in den aus diesen Materialien hergestellten Geräten. Einer der Wege um inhärentes Eigenrauschen zu verringern (abgesehen von Abkühlen des Materials) ist es, die Zahl der Freiheitsgrade von freien Elektronen zu verringern. Auf diese Weise werden in flachen Halbleiter-Heterostrukturen zweidimensionale Ebenen von leitfähigen Elektronen gebildet, wobei diese Elektronen nur zwei Freiheitsgrade (2D-Elektronengas) und entsprechend geringeres Rauschen haben. Noch geringeres Rauschen wird durch Elektronen in eindimensionalen Halbleitern (Quantendrähten) verursacht, wo diese nur einen Freiheitsgrad haben. Aber die Herstellung von Quantendrähten und hierauf basierenden leistungsfähigen Geräten ist z. Zt. problematisch. Die Herstellung der Geräte mit zweidimensiona lem Elektronengas in Heterostrukturen ist eine schwierige Aufgabe, die z. Zt. bei verschiedenen wissenschaftlichen Organisationen in der Entwicklung ist. Entsprechende Geräte, die zur Generierung von UHF-Schwingungen vorgesehen sind, sind kompliziert, teuer und erfüllen die durch praktische Aufgaben gestellten Anforderungen nicht immer.
Auf diese Weise existiert ein akuter Bedarf zur Entwicklung solcher Geräte, die zur Erzeugung von elektrischen, elektromagnetischen UHF-Schwingungen und Wellen vorgesehen sind, die ausreichende Energie, geringeres Rauschniveau, Festkörperausführung besitzen und geeignet zur Generierung, Detektion, Transformation und Verstärkung von UHF-Schwingungen und Wellen sind.
Analoga und Vorgänger der Erfindung
Hiermit wird die Gunn-Diode als das Analogon gewählt [11]. In der Gunn-Diode wird ein Halbleitermaterial, normalerweise GaAs, mit Elektronenleitfähigkeit verwendet, die zwei Minima der Elektronenenergieabhängigkeit des Wellenvektors in der Leitfähigkeitszone haben. Das Funktionieren der Gunn-Diode basiert auf dem Elektronenübergang in starken elektrischen Feldern von einem Minimum in der Leitfähigkeitszone des Halbleitermaterials in das andere Minimum der Leitfähigkeitszone, die auf einem höheren Energieniveau ist, wo die effektive Masse der Elektronen höher als in dem ersten Minimum ist. Die Strom-Spannungs-Kurve des Halbleitermaterials in einer Gunn-Diode in dem Gebiet des starken elektrischen Feldes enthält einen Punkt mit einem negativen differenziellen Widerstand (negative differenzielle Leitfähigkeit), auf Grund dessen eine elektrische Ungleichförmigkeit im Material auftritt – elektrische Instabilität in der Form von beweglichen elektrischen Domänen. Die Entstehung, die Drift und das Verschwinden der elektrischen Domäne in dem Halbleiter zwischen den Diodenelektroden verursacht Schwingungen des Stroms in seinem externen elektrischen Schaltkreis. Die Periode dieser Schwingungen ist durch die Zeit der von ihrem Entstehungsplatz zu der Drain-Elektrode fliegenden Domänen definiert und gehört normalerweise zum UHF-Band. Jedoch verlieren Gunn-Generatoren durch Eigenrauschniveaus, Frequenzstabilität der erzeugten Frequenz, durch Haltbarkeit und durch Zuverlässigkeit im Vergleich zu Generatoren, die Transistoren verwenden.
Der Vorgänger
Es ist zweckmäßig als Vorgänger der vorliegenden Erfindung die Lawinenlaufzeitdiode (IMPATT) zu erwähnen, da dies die nächstliegende zur Erfindung unter Berücksichtigung der Summe ihrer Eigenschaften ist [11]. Die Strom-Spannungs-Kurve der Lawinenlaufzeitdiode hat keinen Punkt mit negativen differenziellem Widerstand, der wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Der Vorgänger verwendet ein Muster von Halbleitermaterial mit einer Dicke von ungefähr 15 mkm; Elektrische Verbindungen zu dem Material mit einer Fläche von bis zu 10^–2 cm² sind auf parallelen Oberflächen der Probe geformt; Einer dieser Verbindungen ist verstärkend und geeignet eine Elektroneninjektion in das Material zu liefern. Die Probe mit Elektroden (positioniert in einem Körper) ist in einen Resonator eingebaut, der an diesen angepasst ist, in einen Wellenleiter oder ein anderes (resonantes, verzögerndes) Gerät, wobei zwischen den Elektroden elektrische Spannung mit einer derartigen Polarität aufgebracht wird, um die Injektion von Elektroden in das Material durch die verstärkende Verbindung zu verursachen. Mit Hilfe der elektrischen Spannung, die zwischen den Elektroden aufgebracht wird, existiert das elektrische Feld in dem Material mit einer Stärke, die in den nicht linearen Teil des Strom-Spannungs-Diagramms passt. Als Resultat treten in dem Material (und in dem hiermit verbundenen verzögernden System) UHF-Schwingungen und Wellen mit einer Energie von 1 bis hunderten Watt auf. Bei der Frequenz von 50 GHz für Siliziummaterial liefert der Vorgänger den Wirkungsgrad von nicht mehr als 20% bei minimalem Rauschverhältnis von 22 dB, das beim Anstieg der Ausgangs-UHF-Leistung auf bis zu 55 dB ansteigt. Es sollte beachtet werden, dass in HEMT-Transistoren das Rauschverhältnis in Einheiten von dB ist und sogar geringer als 1 dB sein kann. Derartige Differenzen in den Rauschparametern sind hauptsächlich durch das Vorhandensein von Rekombinationsprozessen in IMPATT verglichen zu praktisch unwesentlichen Effekten von Rekombinationen in HEMT-Transistoren verursacht.
Außerdem erlauben UHF-Generatoren für elektrische Schwingungen und Wellen, die Gunn-Dioden oder IMPATT verwenden, keine Synchronisierung von Phasen von Schwingungen von zwei oder mehr derartiger Generatoren mit ausreichender Präzision, obwohl eine derartige zur Synchronisation von vielen Generatoren prinzipiell erwünscht ist, z. B. in Systemen, die Phasenantennen-Arrays verwenden.
Auf diese Weise haben die Analoga und der Vorgänger der Erfindung relativ hohe Niveaus von Eigenrauschen und erlauben keine Synchronisation von Phasen von UHF-Schwingungen von zwei oder mehreren Generatoren.
Gegenstand der Erfindung
Die vorgeschlagene Erfindung zielt auf die Erzeugung eines Generators von elektromagnetischen UHF-Schwingungen und Wellen mit geringem Eigenrauschen, das Ermöglichen der Synchronisierung von Frequenz und Phase der Schwingungen, zur Detektion und Transformation von Frequenz- und Verstärkungsleistung von UHF-Schwingungen und Wellen ab.
Das erklärte Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass in dem Generator für UHF-Schwingungen und Wellen entsprechend Anspruch 1, jedes nicht entartete oder schwach entartete Halbleitermaterial als das Material verwendet wird, auf dessen Oberfläche oder in dessen Volumen Elektroden angeordnet sind, die Gleichrichterkontakte zum Halbleiter bilden, z. B. Metall-Halbleiter-Kontakte, Schottky-Kontakte; Die Entfernung D zwischen den Elektroden ist zwischen D_min = 0,2 mkm und D_max = 400 mkm gewählt, das Material zwischen den Elektroden enthält Elektronenschwingungszentren (ESZs) mit einer Konzentration von 2 × 10¹² cm ³ bis 2 × 10¹⁷ cm^–3; Eine externe elektrische Spannung wird zwischen den Elektroden aufgebracht, die in dem Material zwischen den Elektroden einen Strom und ein elektrisches Feld mit einer Stärke verursacht, die in die nicht lineare Zone des Strom-Spannungs-Diagramms fällt, aber unterhalb der Durchbruch-Feldstärke des Materials zwischen den Elektroden liegt.
Entsprechend zu Anspruch 2 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass um seine Funktionalität zu erweitern, das Gerät zwei oder mehr UHF-Kanäle hat, die einander an dem Ort überschneiden, an dem das Material mit den Elektroden angeordnet ist, und wobei diese Kanäle mit den Elektroden übereinstimmen.
Entsprechend zu Anspruch 3 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Vereinfachung der Herstellungstechnologie das Material gewählt ist, um eine Form z. B. eines monolithischen Substrats zu haben, wie ein monolithischer Industriewafer oder die Form einer Schicht mit einer Dicke von bis zu 50 mkm auf einem halbisolierenden oder dielektrischen Substrat hat.
Entsprechend zu Anspruch 4 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Vereinfachung der Konstruktion und der Herstellungstechnologie die ESZs nur in die abgereicherten Zonen oder in die Teile der abgereicherten Zone des Materials zwischen den Elektroden, z. B. in die Teile des an den Elektroden angepassten Materials, eingebracht ist.
Entsprechend zu Anspruch 5 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur vollen Realisierung der physikalischen Eigenschaften von ESZs das UHF-Resonanzsystem, das an das Material angepasst ist, eine Resonanzfrequenz in den Grenzen von 1 GHz bis (S + 2)-teilbarer Frequenz eines akustischen Phonons hat, das an den Elektronenschwingungsübergängen in dem Material teilnimmt, wobei S die Koppelkonstante zwischen Elektronen und Phononen ist.
Entsprechend zu Anspruch 6 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Verbesserung der Bedingungen und der Stabilität der Erzeugung das Material zwischen den Elektroden in dem magnetischen Feld der generierten elektromagnetischen UHF-Welle derart angeordnet ist, dass mindestens ein Teil des magnetischen Feldes dieser UHF-Welle entlang der Normalen der Stromlinien in dem Material gerichtet ist.
Entsprechend zu Anspruch 7 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass um die generierten Frequenzen zu synchronisieren, er eine zusätzliche Feldelektrode oder eine Anzahl von zusätzlichen Feldelektroden hat, die Gleichrichterkontakte zu dem Material zwischen den Elektro den bilden, z. B. Schottky-Verbindungen von dielektrischen Metall-Halbleiterkontakten.
Entsprechend zu Anspruch 8 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur optischen Manipulation der Erzeugung, der Synchronisierung der generierten Schwingungen, als auch zur Registrierung von Strahlung der Generator mindestens eine Elektrode oder mindestens eine zusätzliche Feldelektrode hat, die in dem Absorptionsspektralband der ESZs oder des Materials oder sowohl des Materials als auch der ESZs transparent oder halbtransparent ist.
Entsprechend zu Anspruch 9 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Verringerung des inhärenten Eigenrauschens der Generator mit einer Quelle eines magnetischen Feldes mit einer Induktionsstärke von 0 bis 2 Tesla ausgerüstet ist, die entlang der Linie des elektrischen Stroms in dem Material zwischen den Elektroden gerichtet ist.
Entsprechend zu Anspruch 10 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Unterdrückung niederfrequenter Schwingungen und Wellen und zur gleichzeitigen Reduzierung inhärenten Eigenrauschens die Quelle des magnetischen Feldes verschiedene Orientierungen der Induktion des magnetischen Feldes im Verhältnis zur Richtung zwischen den Kontakten erlaubt und zur Erzeugung eines Teils des magnetischen Feldes entlang der Normalen zu den Stromlinien in dem Material zwischen den Elektroden geeignet ist und eine Stärke von 0 bis 4ω²m/e hat, wobei ω die zyklische Frequenz der UHF-Erzeugung, m die effektive Masse der Ladungsträger in dem Material, e die Elektronenladung ist.
Entsprechend zu Anspruch 11 ist der Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen dadurch verbessert, dass zur Steigerung des Wirkungsgrades und zur Verbesserung des Monochromatismus der generierten Signale, die Dimension (die Dimensionen) des Halbleitermaterials oder des Substrats, oder der gemeinsamen Dimension des Substrats und des Halbleiters (W) in solcher Weise gewählt ist (sind), um die Bedingungen des akustisch-elektrischen Synchronismus zu erfüllen, d. h. gleich oder teilbar zu W = πV_snd/ω, wobei V_snd die Schallgeschwindigkeit entlang der Richtung (Richtungen) W und ω die zyklische Frequenz der erzeugten UHF-Schwingungen und Wellen ist.
Entsprechend zu Anspruch 12 hat ein elektronisches Halbleitergerät elektronische Schaltungen, die aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Gerät aufgebaut sind, die mindestens einen der vorstehend erwähnten Ansprüche erfüllen.
Die vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen durch eine Menge von Unterschiedsmerkmalen bereit. Dies sind insbesondere: Die Verwendung nicht-entarteter oder schwach-entarteter Halbleitermaterialien, das Vorhandensein von Elektroden, die Gleichrichter-Verbindungen zu dem Material an der Oberfläche oder in dem Volumen des Halbleitermaterials bilden, das Auswählen einer spezifischen Entfernung zwischen den Elektroden, das Einführen von Elektronen-Schwingungszentren in das Material in einer bestimmten Konzentration, eine bestimmte Position des Halbleitermaterials in einem UHF-Kanal, die Anwesenheit von elektrischem Strom und elektrischem Feld mit bestimmter Intensität in dem Material zwischen den Elektroden, die Anwesenheit von zusätzlichen Feldelektroden, die Gleichrichterkontakte zu dem Material bilden, die Anwesenheit von transparenten (halbtransparenten) Elektroden, die Anwesenheit einer Quelle des magnetischen Feldes mit spezifischer Intensität und Orientierung seiner Induktion, spezifische Ausmaße des Materials und des Substrats, die die Bedingungen des akustisch-elektrischen Synchronismus erfüllen.
Es ist bekannt, dass akustische (A), optische (O) [12–13] als auch inhärente I-elastische Eigenschwingungen und Wellen derartiger Schwingungen existieren und sich in Kristallen fortpflanzen können [14–16]. Akustische Schwingungen sind durch periodische Zeitverschiebungen von elementaren Zellen eines Kristalls (Massenzentren ihrer Zellen) im Hinblick aufeinander (jeweils die Kristallzentren von Massen) repräsentiert und können sowohl in einfachen Kristallen existieren, in denen eine Elementarzelle nur ein Atom enthält, und in komplexen Kristallen, in denen eine Elementarzelle mehr als ein Atom enthält. Optische Schwingungen eines Kristalls (kristalline Netzwerke) sind durch periodische Verschiebungen in der Zeit von Atomen relativ zueinander innerhalb einer Elementarzellen (Verschiebungen von Atomen bezogen auf das Massenzentrum der Zelle) repräsentiert und können in Kristallen mit zwei oder mehreren Atomen in ihren Zellen existieren. Inhärente, (I-)(α, β, γ-Typen) sind durch periodische Verschiebungen in der Zeit von Atomkernen relativ zu ihrer Elektronenschale repräsentiert und können in jedem Molekül, in Flüssigkeiten und Kristallen existieren. Elementare Quanten von akustischen und optischen Schwingungen und Wellen werden Phononen genannt, wobei I-Schwingungen auch quantisiert sind. Energie von Quanten von I-Schwingungen überschreiten stark (5 bis 10 fach) die maximale Energie von akustischen Phononen und übersteigen (4–5 fach) die maximale Energie von optischen Phononen. Diese Arten von Schwingungen werden normalerweise in einer Näherung von Linienverbindungen zwischen Verschiebungen der einen Kristall bildenden Partikel und dabei auftretenden Kräften beschrieben. Entsprechend kann jedes Atom in einem Kristall als zwei miteinander verbundene Oszillatoren angesehen werden. Einer dieser Oszillatoren gibt Atomschwingungen mit Frequenzen von Phononen (P) wieder und der andere Oszillator ist der eigene, inhärente I-Oszillator, der periodische Verschiebungen des Kerns in dem Atom wiedergibt und zyklische Frequenzen von I-Schwingungen (ω) hat.
Es ist oft angenommen worden, dass Atomverschiebungen in einem Kristall und durch diese verursachte elastische Kräfte miteinander linear verbunden sind, d. h. ihre Schwingungen sind harmonisch. In dieser Näherung kann die klassische Gleichung von Atombewegungen in dem Knoten des kristallinen Gitters am generellsten in die folgende Form gebracht werden:
Wobei x die Verschiebung des Atoms aus der Gleichgewichtslage, M die Atommasse, der Koeffizient g > 0, F' – die Amplitude einer externen Kraft ist, z. B. ansteigend auf Grund der Atomkernverschiebung relativ zu seiner Elektronenschale mit zyklischer Frequenz von I-Schwingungen (ω), und T die Zeit ist.
Durch Teilen beider Teile der Gleichung (1) durch M und Benennung von r = g/2M, p² = k/M, q = √p² – r², F = F'/M, kann die Gleichung auf folgende Weise niedergeschrieben werden:
Für den Fall, dass r, p und F nicht zeitabhängig sind, hat diese Gleichung konstante Koeffizienten, die erzwungene Schwingungen eines gedämpften harmonischen Oszillators beschreiben [17] und ihre Lösung kann auf folgende Weise niedergelegt werden: x(t) = e–rt(C1cosqt + C2sinqt) + Hcos(ωt + φ – δ), (3)wobei die Amplitude der erzwungenem Schwingungen
von der Dämpfung r und den Frequenzen p und ω abhängen.
Der Koeffizient r beschreibt die Dämpfung der Schwingung oder den Verlust von Schwingungsenergie durch den Oszillator, p die zyklische Frequenz der akustischen Welle, z. B. in unserem Fall die Phononenfrequenz, ω die Frequenz der störenden Kraft, z. B. die Frequenz der I-Schwingungen des Kerns in dem Atom aus dem Material mit der Frequenz des externen Einflusses auf das Atom, z. B. mittels eines externen elektrischen oder magnetischen Feldes.
Die Änderungen der Phase (δ) der erzwungenen Schwingungen relativ zu der Phase der externen Kraft werden durch die folgenden Gleichungen beschrieben:
Es folgt aus der Gleichung (3), dass mit der bei r > 0 ablaufenden Zeit t durch den Summanden, der den Faktor ^et enthält, beschriebene freie Schwingungen schnell ausklingen und verschwinden, wobei nur die erzwungene Schwingung mit der durch die Gleichungen (5) beschriebenen Phase fortschreitet. Es kann aus den Gleichungen (4) und (5) erkannt werden, dass der Phasenwechsel δ der erzwungenen Schwingungen relativ zu der Phase der antreibenden Kraft eindeutig durch die zyklische Frequenz der Eigenschwingungen des Atomkerns in ESZ (ω), die zyklische Frequenz der Phononen (p), die an den ESZ gebunden sind, und die Dämpfung von Schwingungen (r) definiert ist.
Auf diese Weise existiert eine reale Möglichkeit, erzwungene Schwingungen von ESZs mit einer definierten Phase zu schaffen, die durch die Amplitude und die Phase der externen antreibenden Kraft definiert ist, die auf den ESZ aufgebracht wird. In unserem Fall ist die Funktion der externen Kraft durch UHF oder eine auf die zusätzlichen Elektroden aufgebrachte Impulsspannung erfüllt. Diese Spannungen erzeugen in bestimmten Momenten eine Abreicherung des Materials unter der zusätzlichen Elektrode oder eine Ladungsträgerinjektion durch die Verbindung in das Material und beeinflussen hierbei den Prozess der Rekombination der Ladungsträger auf die ESZs und folglich der Phase der generierten UHF-Schwingungen. Diese Möglichkeit, UHF-Schwingungen bei ESZs zu steuern ist durch die Ansprüche 7 und 8 zur Verwendung zur Detektion und Synchronisation von generierten UHF-Schwingungen und Wellen vorgeschlagen.
Es kann aus dem Ausdruck (4) erkannt werden, dass die Amplitude der erzwungenen Schwingungen H direkt mit der Amplitude der antreibenden Kraft F verbunden ist (bei konstanten Werten der anderen Parameter: p, ω, r), was ermöglicht, das beanspruchte Gerät zur Verstärkung von UHF-Schwingungen und Wellen zu verwenden, z. B. zur Erhöhung der Amplitude H mittels Energie der antreibenden Kraft F.
Wenn wir die zyklische Frequenz der ESZs (ω) und der Phononen (p) in den Formeln (4 und 5) tauschen, wird sich der physikalische Sinn dieser Formeln nicht ändern. Folglich kann die technische Funktion des Synchronisationssignals durch Eigenschwingungen der ESZs relativ zu Phononen und von Phononen relativ zu Schwingungen des A tomkerns in ESZs entstehen. Darum können Amplitude und Phase der erzwungenen Schwingungen von ESZs durch Änderung weißer Amplitude und Phase von Eigenschwingungen von ESZs oder durch Änderungen der Amplitude und Phase der an ESZs gebundenen Phononen geändert werden. In der beanspruchten Erfindung schafft diese Besonderheit der physikalischen Eigenschaften des ESZs enthaltenen Materials eine Synchronisation der Phase der generierten UHF-Schwingungen und Wellen sowie eine Verstärkung der UHF-Schwingungen und Wellen.
Das Analysieren der Gleichung (2) und das Auffinden ihrer Lösung (3) in genereller Form ist schwierig. Daher werden spezifische Fälle angenommen. Es wird der (idealisierte) wichtige Fall angenommen, bei dem eine Dämpfung fehlt, wenn r = 0 ist. In realen Fällen wird der Koeffizient r nicht 0, was einer Aufweitung der diskreten Frequenzen von Schwingungen in Frequenzbänder von bestimmten Weiten führt. Dies bringt Beschränkungen der Amplituden der Schwingungen mit sich, was zur Stabilität von Lösungen der Gleichung (Stabilität der Schwingungserzeugungsprozesse) beiträgt.
Wenn eine Dämpfung fehlt (r = 0), vereinfacht sich die Bewegungsgleichung:
und ihre Lösung ist
Diese Lösung x(t) ist nur in folgenden vier Fällen periodisch:
a) Harmonische Schwingungen.
Die Lösung x(t) hat eine Periode, die der Periode der antreibenden Kraft 2π/ω entspricht und von p und ω der Amplitude der Schwingungen abhängig ist

b) Subharmonische Schwingungen. C ≠ 0. Die Lösung x(t) hat die geringste Periode 2π/p, die der Periode von freien Schwingungen des Oszillators entspricht, die n-fach höher verglichen mit der Periode der externen Kraft 2π/pn ist. Die Frequenz p = ω/n mit n als beliebiger ganzer Zahl ist ungleich 1.
c) Ultra-harmonische Schwingungen. C ≠ 0. Die Lösung x(t) hat die Periode 2πm/p, die der Periode der antreibenden Kraft gleicht. Frequenz p = mω, m-beliebige ganze Zahl ungleich 1.
d) Ultra-subharmonische Schwingungen. C ≠ 0. Die Lösung x(t) hat die Periode 2πm/p und die externe Kraft hat die Periode von 2πm/np, d. h. die Periode der Schwingungen ist n-fach höher verglichen mit der Periode der freien Schwingungen. p = mω/n, mit n und m als relativen ganzzahligen Primzahlen.

Entsprechend zum Punkt a) existieren neben herkömmlich bekannten optischen und akustischen Schwingungen in dem ESZs enthaltenden Kristall harmonische Schwingungen mit Frequenzen der antreibenden Kraft, d. h. Frequenzen von Eigen-I-Schwingungen des Atomkerns. Der Satz dieser Frequenzen wird durch die Formel des harmonischen Quanten-I-Oszillators ω(v) = ω(1/2 + v) beschrieben, wobei ω die klassische Frequenz dieses Oszillators, die Schwingungenquantenzahl v = 0, 1, 2,... ist. Die niedrigste dieser Frequenzen ω/2 überschreitet stark die maximale Frequenz der akustischen und optischen Schwingungen. Elementarquanten der I-Schwingungen des α-Typs (ħω) in den Atomen mit den Atomzahlen von 8 ≦ Z ≦ 80 liegen zwischen 220 meV für Sauerstoffatome mit Z = 8 und ≈ 400 meV für die Atome mit Z → 80 und Z → 1. Zum Vergleich: Das höchste Quantum von optischen Schwingungen überschreitet normalerweise nicht 60 meV, die akustischen Quanten überschreiten normalerweise nicht 25 meV.
Entsprechend zu Punkt b) enthalten elastische Schwingungen des Kristalls mit ESZs subharmonische Schwingungen mit Frequenzen, die n = 2, 3, 4,... mal kleiner als die Frequenzen der antreibenden Kraft ω sind.
Entsprechend zu Punkt c) enthalten elastische Schwingungen des Kristalls mit ESZs ultra-harmonische Schwingungen, deren Frequenzen m = 2, 3, 4,... mal höher als I-Schwingungen ω sind. Diese Frequenzen werden durch ω/2 relativ zu den Frequenzen verschoben, die in Punkt a) beschrieben sind.
Entsprechend zu Punkt d) enthalten elastische Schwingungen des Kristalls mit ESZs ultrasubharmonische Schwingungen mit Frequenzen von mω/n, die bei m < n Frequenzen der akustischen oder optischen Phononen treffen können.
Es folgt aus dieser Analyse der Lösungen der Gleichungen x(t), dass die Frequenzen der harmonischen Schwingungen ω(1/2 + V) möglich sind und hieraus Frequenzen ω und ω/2 wichtig sind. Bei subharmonischen Schwingungen sind Frequenzen mit ω/n bei n = 2, 3,... möglich, bei ultrasubharmonischen Schwingungen sind Frequenzen bei (m/n) ω mit n = 2, 3,... und m = 1, 2,... möglich. Innerhalb der erwähnten Frequenzen sind die Frequenzen wichtig, die geringer als ω sind. Viele dieser Frequenzen fallen in das Spektrum der erlaubten Phononen-Frequenzen p. Besonders wichtig sind solche Frequenzen, die die Frequenzen mit der höchsten Phononen-Dichte im Kristall treffen. Diese Schwingungen (Phononen) werden effizient mittels der Energie von Eigenschwingungen verstärkt und sind geeignet, in dem Kristall fortzuschreiten, an den Elektronenschwingungsübergängen bei den ESZs teilzunehmen, was prinzipiell zur Realisierung der vorliegenden Erfindung wichtig ist.
Auf den ersten Blick scheint es, dass im Unterschied zur Verstärkung, Detektion und Synchronisation von UHF-Schwingungen z. B. eine Frequenzumsetzung bei diesem Verfahren unmöglich sein könnte, da in der Lösung der Bewegungsgleichung x(t) (siehe Formeln (3) und (7)) Summen oder Differenzen von Frequenzen in dem finalen erzwungenen Signal fehlen. Aber diese traditionelle Meinung ist in diesem Falle nicht richtig. Tatsächlich können wir erkennen, dass die folgenden Frequenzen bereits in der Lösung enthalten sind:

– harmonische Schwingungen mit Frequenzen der antreibenden Kraft ω,
– subharmonische Schwingungen mit Frequenzen, die n = 2, 3, 4,... mal kleiner als Frequenzen der antreibenden Kraft ω sind,
– ultraharmonische mit Frequenzen, die m = 2, 3, 4 mal höher als eine der I-Frequenzen ω sind und
– ultrasubharmonische Schwingungen mit Frequenzen mω/n, wobei n positive ganzzahlige sind.

Auf diese Weise liefert das erläuterte Gerät eine Frequenzumsetzung der antreibenden Kraft, z. B. der Kraft auf ein externes elektrisches Feld, das auf ESZs in dem Material zwischen den Elektroden einwirkt, in eine dieser diskreten Frequenzen. Das elektromagnetische Feld der erzeugten Schwingungen kann als die Ursache der antreibenden Kraft dienen. Folglich ist der vorgeschlagene Generator ein Mehrfrequenzgenerator mit diskreten Frequenzen, die sich von jedem anderen ganzzahligen oder gebrochenen Anteil unterscheidet. Daneben sollte bemerkt werden, dass diese Frequenzen eindeutige Phasen haben. Um Schwingungen von jeder dieser Frequenzen in dem vorgeschlagenen Generator extrahieren zu können, dienen ein UHF-Resonator, Wellenleiter, streifenförmige oder koaxiale UHF-Leitungen, die auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt sind. Prinzipiell ist es möglich, gleichzeitig die Generierung einiger weniger Frequenzen von UHF-Schwingungen und Wellen zu schaffen. Solch ein Mehrfrequenzgenerator kann erfolgreich zum Zweck der Ortung gleichzeitig auf einer Anzahl von Frequenzen z. B. in Fällen genutzt werden, bei denen ein Objekt nicht in einem oder zwei UHF-Frequenzen sichtbar ist (geschützt vor Detektion), so dass es dann unvermeidbar an anderen Frequenzen detektiert wird. Diese Mehrfrequenzortung bewirkt eine höhere Zuverlässigkeit der Detektion und Identifikation von Objekten im UHF-Spektrum, was eine wichtige technische Aufgabe ist.
Es wird nun ein anderer Fall angenommen, bei dem die Zeitabhängigkeit des Koeffizienten p = p(t) empfindlich ist, z. B. auf Grund von Eigenschwingung des Kerns und bei dem eine wirkende externe Kraft ignoriert werden kann, die gleich 0 null gesetzt wird: F = 0. Angenommen, dass die Abhängigkeit p(t) durch I-Schwingung des Atomkerns mit einer Frequenz ω definiert ist, kann sie als p² = δ' + ε' cos ωt ausgedrückt werden. Dann wird die Gleichung (6) in die Mathieu-Gleichung transformiert:
Lösungen dieser Gleichung sind periodisch und in bestimmten Bereichen auf der Ebene mit orthogonalen Koordinaten δ' und ε' stabil [17]. Einige Grenzpunkte der Stabilitätsregionen der Lösung entsprechen harmonischen Schwingungen mit Frequenzen ω und ω/2. Daneben können für diese Gleichungen alle Typen von periodischen Lösungen existieren, die in dem Fall von erzwungenen Schwingungen berücksichtigt wurden: Harmonische, subharmonische, ultraharmonische und ultrasubharmonische Schwingungen jeglichen Grades (mit jeder Kombination der Werte m = 1, 2,... und n = 2, 3,...).
Auf diese Weise sind auf Grund von ESZs in Kristallen neben akustischen und optischen Schwingungen andere Schwingungen möglich, die ein weites Spektrum von Frequenzen haben. Diese Frequenzen, die in das Spektrum von optischen oder akustischen Schwingungen (Phononen) fallen, verstärken diese Schwingungen, was einen Anstieg der Anzahl der entsprechenden Phononen verursacht. Die Rekombinationsenergie von Elektronen (und Löchern) auf ESZs-Ebene ist die Quelle der Energie für I-Schwingungen. Diese Phononen nutzen den Vorteil der Teilnahme an den Elektronenschwingungsübergängen und an der Erzeugung von UHF-Schwingungen mit den erwähnten Frequenzen. Es ist als Resultat davon möglich, dass die Schwingungen mit solchen Frequenzen in dem Volumen eines Kristalls fortschreiten und kinetische Phänomene und Elektronenschwingungsübergänge bewirken, die die Möglichkeit zur Erzeugung von UHF-elektromagnetischen Wellen und ihrer Verstärkung mittels der Energie der Elektronenschwingungsübergänge bieten.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Interaktion zwischen ESZs Änderungen im Frequenzspektrum der akustischen Schwingungen verursachen können. Die Linie 1 in 1a zeigt den Dispersionszweig der akustischen Schwingungen (akustische Phononen) des idealen (defektfreien) Kristalls. Dieser Zweig erreicht Frequenzwerte von p = 0 in der Mitte der Brillouin-Zone (in der Umgebung des Nullwellenvektors), der nur für akustische Dispersionswellen typisch ist. Die Linie 2 in 1a repräsentiert den akusti schen Dispersionszweig in dem ESZs enthaltenden Kristall. Es kann aus 1a erkannt werden, dass das Einführen von ESZs in den Kristall einen Anstieg der Frequenz der akustischen Schwingungen (P) in dem Zentrum der Brillouin-Zone von p = 0 bis zu einem Wert p* > 0 bewirkt. Es kann aus 1d erkannt werden, dass nahe des Minimums der (gepunkteten) Dispersionslinie eine Spitze der Dichte der Phononen-Frequenzen G(p) von Dichten von Phononenzuständen – Kurve 3, die in einem defektlosen Kristall fehlt – gebildet ist. Auf diese Weise verursachen elastische Interaktionen von ESZs miteinander das Auftreten der höheren Dichte von akustischen Phononenzuständen nahe dem Zentrum der Brillouin-Zone. Frequenzpositionen des Maximums der G(p)-Funktion hängen generell gesagt vom Grad der Interaktion der ESZs miteinander ab, d. h. von der durchschnittlichen Distanz zwischen ESZs und von der ESZs-Konzentration ab. Es wurde festgestellt, dass bei einer ESZs-Konzentration von nicht mehr als 5 × 10¹⁵ cm^–3 das Maximum des G(p) nahe dem Zentrum der Brillouin-Zone in Silizium nahe der Frequenz von p* = 4π × 2 × 10¹⁰ Hz liegt, das zum UHF-Band gehört. Bei noch höheren Konzentrationen von ESZs verschiebt sich das Maximum der G(p) in die Zone der höheren Frequenzen. Es ist aus der Streutheorie von Elektronen (Löchern) in Kristallen bekannt, dass exakt die Langwellenphononen mit einem Wellenvektor in der Nähe der Brillouin-Zone die effektive Distanz und Mobilität der Ladungsträger definieren, da die Wahrscheinlichkeit ihrer Interaktion mit Ladungsträgern am höchsten ist. Solche Phononen sind insbesondere in Elektronen-Phononen-Interaktionen bei ESZs aktiv, insbesondere weil die Dichte ihrer Zustände (und folglich ihrer Anzahl) in dem Kristall beim Einführen von ESZs in den Halbleiter ansteigt. Diese Besonderheit bestimmt die Teilnahme von Phononen mit der Frequenz in Elektronenschwingungsprozessen bei ESZs in starken elektrischen Feldern und möglicherweise der Erzeugung von UHF-Schwingungen in den ESZs enthaltenen Materialien. In verschiedenen Halbleitermaterialien mit ESZs ist das Maximum von G(p) der akustischen Phononen bei unbedeutend unterschiedlichen Frequenzen lokalisiert.
In Bezug auf Anspruch 1. Experimentelle Strom-Spannungs-Charakteristika des Materials enthaltend ESZs zwischen Elektroden dividiert durch die Lücke D sind nichtlinear, wobei die Stromdichte von der Intensität des elektrischen Feldes, der Intensität und der spektralen Struktur einer externen Beleuchtung, als auch von der Stärke der Induktion und Richtung eines magnetischen Feldes relativ zu den Linien des elektri schen Stroms im Material abhängt.
2 zeigt das Schema der Anordnung der Elektroden 4 und 5 auf der Oberfläche des Materials dividiert durch die Lücke D; Mit Hilfe dieser Elektroden ist das Material mit einer externen Konstantspannungsquelle, mit der Schaltung zur Messung der statistischen Strom-Spannungs-Charakteristik (unter Verwendung von Verfahren von Amperemeter und Voltmeter) verbunden. ESZs wurden in das Material mit Hilfe einer Strahlenbehandlung mit schnellen Elektronen mit einer Energie von ungefähr 1 MeV, in einer Integraldosis bis zu 10¹⁸ cm^–2 eingebracht und eine Konzentration der ESZs von nicht mehr als 5 × 10¹⁵ cm^–3 wurde erzeugt. ESZs wurden primär durch Assoziation von dotierten Atomen von Sauerstoff mit Vakanzen repräsentiert. Schnelle Elektronen erzeugen Vakanzen in dem Material, die mit dotierten Sauerstoffatomen besiedelt werden, die normalerweise in dem Material im elektrisch inaktiven Zustand in Konzentrationen von weniger als 10¹⁷ cm^–3 vorhanden sind.
3 zeigt typische statische Strom-Spannungs-Charakteristika von GaAs-Proben mit Aluminiumelektroden und der Lücke zwischen diesen Elektroden D = 100 mkm. Kurve 6 in 3a repräsentiert die Strom-Spannungs-Charakteristik, die bei Raumtemperatur in Dunkelheit gemessen wurde, wobei Kurven 7 und 8 zu unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten in dem Band der optischen Eigenabsorption durch das Material gemessen wurden. 3b zeigt Strom-Spannungs-Charakteristika von GaAs zwischen den Elektroden (D = 25 mkm) bei der Nitrogentemperatur (78 K) in Dunkelheit – Kurve 9, und im Licht – Kurve 10; Die Strom-Spannungs-Charakteristik 11 wurde bei Raumtemperatur in Dunkelheit gemessen und die Strom-Spannungs-Charakteristik 12 wurde im Licht gemessen.
Bei der Analyse der Strom-Spannungs-Charakteristika, die in 3a und 3b dargestellt sind, kommen wir zu dem Schluss, dass das Material sowohl in geringen, als auch in starken elektrischen Feldern bei Raumtemperaturen bei der geringen Temperatur photosensitiv ist.
3 zeigt, dass die Strom-Spannungs-Charakteristik des Materials zwischen den Elektroden superlinear mit wenigen Zonen ist, in denen der Strom I durch die Leis tungsfunktion der Intensität des elektrischen Feldes E : I = E^μ beschrieben ist. Hier nimmt μ spezifische Werte an. In kleinen Feldern gilt das Ohmsche Gesetz, μ = 1. Während die Intensität des Feldes weiter steigt, nimmt μ sukzessive Werte von 1,25; 1,5; 5; 10 an. Wir verbinden diese Abweichungen der Strom-Spannungs-Charakteristik vom Ohmschen Gesetz mit der Feldionisierung der ESZs von den verschiedenen Schwingungszuständen mit v = 0, 1, 2,...
4 zeigt eine typische Strom-Spannungs-Charakteristik von GaAs mit der Lücke zwischen den Elektroden von D = 25 mkm gemessen bei Raumtemperatur ohne Beleuchtung des Materials in Dunkelheit. Kurve 13 wurde ohne magnetisches Feld gemessen, die Kurve 14 wurde in Gegenwart des magnetischen Feldes mit einer Induktion von B = 0,5 Tesla gemessen, die normal zu den Stromlinien in dem Material gerichtet ist, Kurve 15 wurde in dem magnetischen Feld mit einer Induktivität B = 1,5 Tesla und mit derselben Orientierung normal zum Strom in dem Material gemessen. Die geneigten, gepunkteten Linien in 4 zeigen die Neigung zu den Koordinatenachsen bezogen auf das Ohmsche Gesetz. 4 zeigt, dass in der Zone von geringen elektrischen Feldern der magnetische Widerstand (Gauß-Effekt) in Form der Abnahme von Strom I bei jedem Intensitätswert des elektrischen Feldes E vorhanden ist. In der Zone von starken elektrischen Feldern, bei denen dem Ohmschen Gesetz nicht gefolgt wird, hängen die Strom-Spannungs-Charakteristika stark von der Induktion des magnetischen Feldes ab, was nicht durch den Gaußschen Effekt beschrieben ist und den anderen, früher unbekannten technischen Effekt repräsentiert. Im Fall der normal zu dem Strom in dem Material zwischen den Elektroden gerichteten Induktanz schlägt sich die Tendenz der Strom-Spannungs-Charakteristik zur Sättigung bis zur Durchbruchsspannung des Materials bei E > 10¹⁵ V/cm ab. In den magnetischen Feldern mit einer Induktanz von 2 und mehr Tesla verschwindet die Sättigung der Strom-Spannungs-Charakteristika. Das entlang der Stromlinien in dem Material zwischen den Elektroden orientierte magnetische Feld bewirkt keine Abhängigkeit der Strom-Spannungs-Charakteristik von dem Material, die entsprechend der Lorentz-Kraft, die auf mobile Ladungsträger wirkt, zu erwarten wäre. Wir verbinden ein derartiges Verhalten der Strom-Spannungs-Charakteristika des Materials mit der Anwesenheit von ESZs, mit Elektronenschwingungsprozessen, da in Materialien, die keine ESZs enthalten, eine derartige Anhängigkeit der Strom-Spannungs-Charakteristika von der Stärke und Orientierung der magne tischen Felder nicht existiert (und auch nicht existieren sollte).
Tatsächlich kann ein Elektron bei ESZ als geladener Oszillator mit einer effektiven Masse des Elektrons m* und eine Ladung des Elektrons e dargestellt werden. Die Bewegungsgleichung für diesen Oszillator, die die in dem magnetischen Feld wirkende Lorenzt-Kraft berücksichtigt, kann auf diese Weise festgehalten werden:
wobei X die generalisierte (Konfiguration-)Koordinate, ϖ die zyklische Frequenz der Elektronenschwingungen, B die Projektion der Induktanz des magnetischen Feldes auf die Normale zur Richtung der Geschwindigkeit (dX/dt) der Ladungsträger ist. Der die Geschwindigkeit enthaltende Summand berücksichtigt den Einfluss der Lorentz-Kraft auf das Elektron, wenn die Geschwindigkeit und Induktanz (B) gegenseitig orthogonal sind. Diese Gleichung (9) erlaubt die oszillierende Lösung unter der Bedingung: 4ϖ2 – eB/m* > 0. (10)
In anderen Worten sind oszillierende Bewegungen des Oszillators mit Frequenzen von ϖ möglich, wenn B nicht zu hoch ist. Falls die Frequenz der Schwingungen des Elektrons, das mit dem ESZ verbunden ist, fixiert ist und durch Eigenschaften des Elektronenschwingungszentrums definiert ist, dann werden Schwingungen des Zentrums bei ansteigendem B bis zum B = 4m* ϖ²/e, definiert durch Ungleichung (10), unmöglich. Im Falle, dass Elektronen an einer komplexen Schwingung des Zentrums mit einer Anzahl von unabhängigen Frequenzen teilnehmen, werden, wenn B wachst, Frequenzen durch das magnetische Feld in der Größenordnung ihres Anstiegs unterdrückt. Grundsätzlich ist es möglich, einen derartigen Wert B zu wählen, wenn Schwingungen des Elektronenschwingungszentrums mit irgendeiner Frequenz unterdrückt werden. Dies ist, wie die Mechanismen der Unterdrückung von ESZ-Schwingungen in dem magnetischen Feld funktioniert. Wenn m* gleich der effektiven Masse von Elektronen und die minimale zyklische Frequenz von akustischen Phononen und p = ϖ = 2π × 1,25 × 10¹⁰ sec^–1 aus der Beziehung (10) gesetzt wird, erhalten wir den minimalen Wert der kriti schen Intensität des magnetischen Feldes für Silizium, B = 0,25 Tesla, wenn Schwingungen mit Frequenzen von 0 bis π unterdrückt werden. Auf diese Weise ist klar, dass zur Unterdrückung von ESZ-Schwingungen mit Frequenzen von einem akustischen Phonon magnetische Felder mit B ≅ 0,25 Tesla erforderlich sind. Um Schwingungen mit summarischen Frequenzen S von solchen Phononen zu unterdrücken, sind magnetische Felder mit B = S × 0,25 Tesla erforderlich. Unter Berücksichtigung, dass für ESZs in Silizium und anderen Halbleitern der Wert S nicht den Wert 5 überschreitet, sollte die maximale Induktanz zur Unterdrückung von ESZs-Schwingungen mit Frequenzen von S Phononen 1,25 Tesla überschreiten. Experimentelle Resultate sind in Übereinstimmung mit der gegebenen Vorhersage des Wertes B.
In dem Experiment wurde elektrischer Strom zwischen den Elektroden mit konstanter Intensität, ein magnetisches Feld in dem Material normal zu den Stromlinien und mit einer von 0 bis 2 Tesla variierenden Induktanz erzeugt und Intensitäten des elektrischen Feldes (dE) wurden in dem Material über die Induktanz-Änderung (dB) gemessen. Die entsprechende experimentelle Abhängigkeit von dE/dB zu B ist in 5 für Silizium (Si)-Material gezeigt. Diese Abhängigkeit hat Extrema, die oberhalb der Achse der Induktanz (B) im gleichen Abstand voneinander liegen. Werte der Induktanz in den Minima dieser Abhängigkeit korrespondieren zu der stärksten Unterdrückung der ESZs-Schwingungen mit Frequenzen von 1, 2,...5 Phononen. Falls wir für die effektive Masse von Elektronen in Silizium eine „schwere Masse" m* = 0,98 m₀ als Restmasse des Elektrons akzeptieren, dann liegen zyklische Frequenzen der Minima der Abhängigkeit dE/dB proportional zu 2π × 2,1 × 10¹⁰ c^–1 in den Grenzen von p_min = 2π·2,1·10¹⁰ c^–1 bis p_max = 2π·1,26·10¹¹ c^–1 und entsprechen der Teilnahme von 1, 2, 3, 4 und 5 akustischen Phononen an den Schwingungen von ESZs. Es kann aus 5 erkannt werden, dass ESZ-Schwingungen fehlen (unterdrückt sind), B > 1,3 Tesla ist, was mit den vorläufigen Annahmen des höchsten Wertes von B übereinstimmt, der die Strom-Spannungs-Charakteristik beeinflusst. Ähnlich Resultate, die die Unterdrückung dieser Schwingungen von ESZs in den magnetischen Feldern mit einer Induktanz von bis zu B = 2 Tesla haben, wurden in anderen Materialien (Ge, GaAs, InP, InAs, GaInAs) mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen von Phononen, die an den Elektronenschwingungsprozessen bei ESZs teilnehmen, beobachtet.
Die die Änderungen der Strom-Spannungs-Charakteristika in Halbleitermaterialien unter dem Einfluss von magnetischen Feldern zeigenden erhaltenen experimentellen Daten legen die Existenz von Schwingungen geladener ESZs mit Frequenzen im UHF-Band (Band von etwa 1 GHz bis 130 GHz in Silizium, GaAs, InP und bis zu hunderten von GHz in Materialien mit kleineren, effektiven Elektronenmassen) nahe. Dies ist praktisch interessant. In Anspruch 1 werden solche Schwingungen der geladenen ESZs zur Nutzung zur Erzeugung von UHF-Schwingungen und Wellen vorgeschlagen.
Entsprechend der Elektrodynamik strahlen elektrische Ladungen, die sich mit Beschleunigung bewegen, ihre kinetische Energie in Form von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen ab [18]. In dem Prozess der Eigen(I-)Schwingungen führen Elektronen, die bei ESZs liegen, oszillierende Bewegungen mit Frequenzen von Phononen aus und erfahren periodische Beschleunigungen und verbrauchen ihre Energie in Form von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen in Übereinstimmung mit der Elektrodynamik. Da die Schwingungszustände quantisiert (diskret) sind, können sie nur auf Frequenzen von Phononen oder Frequenzen teilbar durch Phononenfrequenzen abstrahlen, die ein Abklingen von Schwingungen bei Werten ungleich null des Dämpfungskoeffizienten (r) in den Gleichungen (3–5) verursachen.
Harmonische Schwingungen von ESZs können grundsätzlich dreidimensional sein. Dann werden Frequenzen von Elektronenschwingungen bei ESZs durch die Formel beschrieben: p[(1/2 + ν1) + (1/2 + ν2) + (1/2 + ν3)],wobei p die Frequenz des an ESZ gebundenen Phonons ist, v₁, v₂, v₃ die Schwingungsquantenzahlen sind, die unabhängig voneinander Werte von 0, 1, 2,... annehmen.
Harmonische Schwingungen können zweidimensional sein und ihre Frequenzen werden durch die Formel beschrieben: p[(1/2 + ν1) + (1/2 + ν2)].
Harmonische Schwingungen können eindimensional (linear) sein und Frequenzen dieser Schwingungen werden durch die Formel des harmonischen Oszillators p(1/2 + υ) beschrieben, wobei υ = 0, 1, 2,... ist. Die minimale Schwingungsenergie ist bei υ₁ = υ₂ = υ₃ = 0 erreicht. In dem Fall von dreidimensionalen Schwingungen entspricht dieses Minimum 3p ħ/2, in dem Fall von zweidimensionalen Schwingungen ist es pħ und in dem Fall von eindimensionalen Schwingungen entspricht ihre minimale Energie pħ/2, wobei ħ= h/2π und h die Dirac-Konstante ist.
Optische und thermoelektrische Experimente haben überzeugend gezeigt, dass Schwingungen von ESZs und Elektronen und Phononen, die damit gebunden sind, eindimensional sind, da die minimale Schwingungsenergie der ESZs ħ/2 oder ħω/2 entspricht, was nur im Fall von eindimensionalen, linearen Schwingungen möglich ist. Exakt in diesem Fall ist das Abstrahlen von elektromagnetischer Energie möglich. Tatsächlich würden die Elektronen des Zentrums für den Fall, dass ESZs-Schwingungen 3- oder 2-dimensional sein würden, entlang der geschlossenen Umlaufbahn (Umlaufbahnen) bewegen und würden eine zentripetale Beschleunigung haben und die Geschwindigkeit wäre tangential zu der Kreistrajektorie gerichtet. In diesen zwei Fällen haben die Elektronen nicht die Möglichkeit, Energie abzustrahlen, da, wie dies in [19] gezeigt wurde, die Intensität ihrer Strahlung proportional zur skalaren Multiplikation der Geschwindigkeit durch Beschleunigung ist. In Bewegungen der Kreis-Umlaufbahnen ist diese skalare Multiplikation identisch gleich null in allen Bewegungen über die Zeit, so dass folglich dieses Elektron keine Energie abstrahlt. Es sollte gesagt werden, dass der Beweis dieser Eigenschaft der kreisförmigen (zweidimensionalen) Bewegung des Elektrons das N. Bor'sche Postulat übermäßig bekannt gemacht hat, das einem Elektron verbietet, Bewegungsenergie abzustrahlen und auf den Kern in dem Bor'schen Atommodell zu fallen. Jetzt ist klar, dass auch ohne dieses Postulat auf kreisförmigen Umlaufbahnen um das diese anziehende Zentrum bewegende Elektronen nicht ihre Energie abstrahlen.
In dem Fall von eindimensionalen Schwingungen, bei dem Elektronenbewegungen bei ESZ einen linearen harmonischen Oszillator repräsentieren, ist die Situation prinzipiell unterschiedlich. Die skalare Multiplikation der Beschleunigung durch die Geschwin digkeit des Elektrons ist nicht in allen Punkten der linearen Trajektorien gleich null (unter der Annahme der Wahrscheinlichkeit des Rückwirkpunktes). Folglich haben, was grundsätzlich für die vorliegende Erfindung wichtig ist, Elektronen bei ESZs die Möglichkeit und entsprechend der Elektrodynamik die „Pflicht", ihre kinetische Energie in Form von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen abzustrahlen. Diese Strahlung erfolgt in Form von Quanten von Energie, die teilbar zur Energie der Phononen ist, die an ESZ gebunden sind. Die eindeutige Kombination von charakteristischen physikalischen Eigenschaften lässt die linear geladenen Oszillatoren, wie geladene ESZs, Energie abstrahlen, die bei der Rekombination von Elektronen an diesen Zentren erhalten wird. Ebenso wichtig ist hier die Eignung der ESZs, Energie aus den Atomkernen zu den Elektronen (und zurück) zu übertragen und diese z. B. von der Energie der Atomkernschwingungen mit der Frequenz ω in die Energie der Elektronenschwingungen mit der Frequenz p unter Bildung eines weiten Spektrums zum UHF-Band gehörenden Frequenzen ω zu transformieren.
Die Vorstellung über Trajektorien von Quantenpartikeln (Trajektorien von Elektronen) ist nicht widersprüchlich und gerechtfertigt. In den heutzutage populärsten Wellenquantenmechaniken, die die unscharfe Relation von Heisenberg berücksichtigt, ist akzeptiert, dass Quantenpartikel keine Trajektorien haben. Aber die unscharfe Relation von Heisenberg bestimmt gerade die Grenze der Anwendbarkeit für die Wellenquantenmechanik und kann nicht der Grund dafür sein, dass Mikropartikel keine Trajektorie haben. Außerdem werden z. B. in der Eigenschwingungs-Quantenmechanik Trajektorien von Mikropartikeln präzise beschrieben [20], wie in anderen Mechaniken von Mikropartikeln, und in der auf der klassischen Newton-Mechanik basierenden Theorie [21] ist die Quantisierung der Elektronenzustände durch das Verhältnis von Halbachsen von elliptischen Trajektorien ausgedrückt, auf denen sich die Elektronen bewegen.
Die Quantentheorie von Elektronenschwingungsübergängen auf Energieniveaus von ESZs oder von Energieniveaus von ESZs beschreibt auch ein weites Spektrum von Schwingungen bestehend aus diskreten Frequenzen, die voneinander und von der Frequenz eines phononenlosen Übergangs in die Phononenfrequenz unterschiedlich sind [22, 23]. Das Spektrum ist durch eine komplexe Funktion enthaltend eine delta-Funktion von der Anzahl von Phononen, die an dem Übergang teilnehmen, beschrieben und repräsentiert ein System von diskreten, voneinander beabstandeten Linien und von phononenlosen Übergängen durch die Phononenenergie. Die Entwicklungsfunktion des nicht-kontinuierlichen Linienspektrums erreicht sein Maximum, wenn S Phononen an dem Übergang teilnehmen. Der Wert S entspricht der durchschnittlichen Anzahl von Phononen, die an dem Elektronenschwingungsübergang teilnehmen, und wird als Konstante der Elektronen-Phononen-Bindung bezeichnet. Durch theoretische Annahmen kann S 150 erreichen, wobei experimentelle Daten von Werten S = 22 bekannt sind. In Silizium (Si) bei A-Zentren, die die Assoziationen von dotierten Sauerstoffatomen mit Vakanzen repräsentieren, erreicht S den Wert 5 und mit ansteigender Konzentration der Zentren über 10¹⁶ cm^–3 nimmt der Wert von S bis zu 1 auf Grund der elastischen Interferenz der Zentren untereinander ab. In den anderen Halbleitern erreicht bei ESZs vergleichbar zu A-Zentren der Wert von S normalerweise 5...22.
Wenn an den Elektronenschwingungsübergängen mehr als 3% der Phononen eine andere Frequenz haben (außer der p-Frequenz), so werden die diskreten Linien des Spektrums verbreitert, verschmelzen miteinander und bilden ein breites ununterbrochenes Spektrum der Frequenzen der ESZ-Schwingen von 1 GHz bis zu 100 GHz. Das sind dieselben Frequenzen, die aus der Angleichung der erzwungenen Schwingungen der harmonischen Generatoren berechnet wurden. So gut wie alle Frequenzen in diesem Spektrum können bei der vorliegenden Erfindung für die Erzeugung der elektromagnetischen UHF-Schwingungen und Wellen gewählt werden, entweder für die Verstärkung oder für die Umgestaltung der Energie der Schwingungen auf jede dieser Frequenzen.
Die Möglichkeit der Erzeugung der UHF-Schwingungen mittels der ESZ-Schwingungen in den Halbleitermaterialien zwischen den Elektronen hat sich praktisch bewährt. Die Halberleitermaterialien mit den Elektronen und den eingebrachten ESZs sind positioniert zwischen der UHF-Messlinie an der Frequenz von 10 GHz basierend auf einer UHF-Signalquelle und dem Signalniveau, was durch den UHF-Liniendetektor detektiert wurde. Es wurden Untersuchungen der Intensität (power) der ESZ-Schwingungen in Abhängigkeit der Distanz zwischen den Elektroden D geführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der 7 grafisch für verschiedene Materialien dargestellt. Aus 7 kann erkannt werden, dass die ESZ-Schwingungen existieren und die UHF-Schwingungen erzeugt werden, wenn die Entfernung zwischen den Elektroden bei Werten kleiner als 1 mkm beginnt und bis zu d_max = 400 mkm beträgt. Die maximale Intensität der Schwingungen wird bei D = (50...200) mkm erreicht. Die minimale Entfernung zwischen den Elektroden D_min kann geschätzt werden auf die Wellenlänge der mit den ESZ zusammenwirkenden akustischen Phononen, die in vielen Materialien bei ca. 0,2 mkm liegt. So ist die Entfernung zwischen den Elektroden angemessen zwischen der Spanne von 0,2 mkm bis 400 mkm zu wählen, was sich in Anspruch 1 widerspiegelt.
Es hat sich bewährt, dass die Konzentration der elektrisch aktiven ESZs in den Materialien zwischen den die UHF-Schwingungen erzeugenden Elektroden in den Grenzen von 2 × 10¹⁰ cm^–3 bis 2 × 10¹⁷ cm^–3 liegen. Dieses Ergebnis stimmt mit den anderen Werten über den Einfluss der ESZ auf die optischen und elektrophysischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien und -strukturen überein. Die Versuche wurden unter Verwendung sowohl der halbisolierenden Materialien als auch der industriellen Halbleiter mit einem Niveau der Dotierung von bis zu 10¹⁶ cm^–3 durchgeführt. Dieses Niveau der Dotierungen der Schmalzonenmaterialien entspricht der schwachen Degeneration. Deshalb spiegeln sich in der Erfindung die nicht degenerierten und schwach degenerierten Halbleiter wider.
Schätzen wir nun den Wirkungsgrad bei der Umformung des elektrischen Gleichstroms in dem Material zwischen den Elektroden in die Leistung der UHF-Schwingungen ab. Zur Sicherheit verweisen wir auf 4. Berücksichtigen wir, dass die Intensität des Stromes I, der durch das Material verläuft, einigermaßen hoch ist, und der Arbeitspunkt in dem Bereich der Strom-Spannungscharakteristik liegt, der sich auf die elektrische Druchbruch-Feldstärke des Materials E_max auf der Kurve 15 bezieht. Die gleiche Stärke des Stroms entspricht der Position des Arbeitspunktes auf der Kurve 13 bei der Intensität des elektrischen Feldes E_min. Die dem Material zugeführte Energie ist offensichtlich gleich zu P = E_max·D·I. Die Energie der UHF-Schwingung kann offensichtlich die Größe P* = (E_max – E_min)·D·I erreichen. Der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der UHF-Schwingung ist η = P*/P = (E_max – E_min)/E_max. Berücksichtigt man weiter, dass E_max den Wert 4·10⁵ V/cm erreichen kann und E_min dem Wert 2·10⁴ V/cm nahe kommt, so haben wir η = 0,95. Wird jedoch berücksichtigt, dass die UHF-Leistung aus dem Material abgeführt wird und dieser Prozess von den Bedingungen des Zusammen passens zwischen den Materialien zwischen den Elektroden und dem UHF-Pfad abhängt, so wird der tatsächliche Wert von η wohl doppelt so klein. Diesem Fall wird der aus dem Material abgeführte Teil der UHF-Leistung P_UHF ≈ P*/2 sein. Bei D = 100 mkm, E_max = 4·10⁵ V/cm und einer zugeführten Stromstärke I = 1 mA erhalten wir P_UHF ≈ 2 Watt. In unserem Experiment wurde dies bei einer Breite des Stromkanals in dem Material von 1 mm ermittelt. Deshalb, bei Vergrößerung des Stromkanals und Stromstärke in dem Material mit ausreichender Kühlung des Materials, könnte die existierende UHF-Leistung erhöht werden, z. B. bis zu 20 Watt, was den technischen Anforderungen solcher Verfahren der Erzeugung von UHF-Schwingungen und Wellen entspricht.
Es ist zu erwähnen, dass die Abschätzung des Wertes η in einer Betriebsart des Stromgenerators erfolgt, bei der eine konstante Stärke des Stromes I in dem Material zur Verfügung gestellt wird. In der Praxis wird die Einspeisung in das Material zwischen den Betriebsarten der Stromgeneratoren und der Spannungsgeneratoren liegen, wenn eine konstante Spannung zwischen den Elektroden zur Verfügung gestellt wird. In diesem Fall, im Bereich der kleinen Felder, kann der Strom den akzeptablen Wert (1 mA) um mehr als das zwei- bis dreifache übersteigen, wie an der Stromspannungskurve 13 (s. 4) erkennbar. In Folge dessen kann die vorliegende Abschätzung der UHF-Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades der vorgeschlagenen Methode zur Erzeugung vernünftigerweise höher sein, was die vorgeschlagene Methode zur Erzeugung der UHF-Schwingungen und der Wellen attraktiv für praktische Anwendungen macht.
Es soll erwähnt sein, dass die Strom-Spannungscharakteristik des Materials zwischen den Elektroden keine Bereiche mit negativer differenzieller Leitungsfähigkeit enthält, was ein gemeinsames Merkmal sowohl der vorliegenden Erfindung als auch des Vorgängers ist. Aber die unter Verwendung des Vorgängers generierten UHF-Frequenzen werden festgelegt durch die Zeiten des Elektronendurchtritts durch das Material zwischen den Elektroden. In der vorgeschlagenen Erfindung, nicht in dem Vorgänger, werden die Frequenzen der generierten UHF-Schwingungen und Wellen definiert durch die Frequenzen der kristallinen Phononen des Materials und durch die Eigenfrequenz der Atomkernschwingungen, die tatsächlich nicht von der Temperatur bis hin zum Schmelzen des Materials abhängen, was einem geringeren Grad des Eigenrauschens im Ver gleich zum Vorgänger gewährleistet.
6 zeigt eine Strom-Spannungscharakteristik des Materials (GaAs) zwischen den Elektroden mit D = 100 mkm gemessen bei Raumtemperatur. Kurve 16 und 17 wurde bei Dunkelheit gemessen, Kurve 18 und 19 wurde unter Beleuchtung in dem Teil des Spektrums der grundsätzlichen optischen Absorbierung des Materials gemessen. Die Kurven 17 und 19 wurden in einem Magnetfeld quer zum Strom in dem Material gemessen, wobei das Magnetfeld eine Induktivität von B = 0,2 Tesla hat. Die geneigte gepunktete Linie entspricht dem ohmschen Gesetz. 6 zeigt, dass die Strom-Spannungscharakteristiken in der Dunkelheit linear sind, und dem ohmschen Gesetz bis zur kritischen Intensität des elektrischen Feldes von E ≈ 10³ V/cm folgen. Unter Beleuchtung des Materials sind die Strom-Spannungscharakteristiken superlinear in dem elektrischen Feld von E ≈ 10 V/cm. Auf diesem Weg ist erkennbar, dass die Beleuchtung des Materials die Verkleinerung der kritischen Intensität des elektrischen Feldes herbeiführt, so dass das ohmsche Gesetz verletzt wird und der Elektronenschwingungsprozess des ESZ wesentlich wird. Tatsächlich werden beim Fehlen von ESZs in den Materialien durch Abhängigkeiten der Strom-Spannungscharakteristiken bei Beleuchtung die elektrischen und magnetischen Felder nicht beobachtet. Aus der 6 ist erkennbar, dass der Einfluss des Magnetfeldes auf die Strom-Spannungscharakteristik des Materials meist auch auf dem Gebiet der starken Felder sichtbar ist, bei der Intensität des elektrischen Feldes oberhalb der kritischen E_crit ≧ 10³ V/cm, sogar bei einem unbedeutenden Überschreiten des kritischen Feldes. Bei einer höheren Stärke des elektrischen Feldes ist die Beeinflussung des magnetischen Feldes an der Strom-Spannungscharakteristik größer.
Auf diese Weise ist der Erzeugungsprozess der UHF-Schwingungen in den Feldern beginnend von kritisch E_crit ≈ 10³ V/cm bis hin zur elektrischen Durchbruchfeldstärke des Materials möglich, was für alle untersuchten Materialien charakteristisch ist. Nahe der kritischen Intensität des Feldes bei E ≈ (10³...10⁴) V/cm wird die vorgenerierte Form realisiert, wenn eine Erzeugung der UHF-Schwingung noch nicht vorliegt, aber schon eine unbedeutende Vergrößerung der Intensität des Feldes E führt die Erzeugung der UHF-Schwingungen und Wellen herbei.
Das Elektronenschwingungszentrum kann man als einen zusammenhängenden akustischen und optischen Oszillator mit Frequenzen von akustischen (p_ac) und optischen (p_opt) Phononen betrachten, die miteinander durch den Eigen-(I-)Oszillator mit der Frequenz der Schwingung des Atomkerns des Stoffes (ω) verbunden sind. Wenn die o. g. Frequenzen in dieser Art gewählt werden, so wird die Summe p_opt ± p_ac mit ω oder einem Teiler von ω übereinstimmen, so existiert (in vorgenerierter Form) die Möglichkeit, die parametrische Verstärkung mit der Frequenz optischer oder akustischer Phononen wegen der Energie der I-Schwingung zu verwirklichen. In diesem Falle wird einer der Oszillatoren, z. B. mit der Frequenz von p_ac, auf die Frequenz des Eingangssignals gesetzt, das auf die zusätzliche Elektrode (zusätzlichen Elektroden) gerichtet wird, und der andere mit der Frequenz von p_opt hat dabei die Rolle des „unbelasteten" Oszillators und kann jede Kombination der Frequenzen, die für den ESZ zulässig sind, haben. Die entsprechenden Frequenzen werden sich dabei immer automatisch in Folge des breiten Spektrums der elastischen Schwingung im Material befinden, was aus den Untersuchungen der parametrischen Weise der Verstärkung bekannt ist. In diesem Fall, wie es von L. Mandelstam und N. Papaleski (1933) gezeigt war, sowie den nachfolgenden Forschern, fehlt die Abhängigkeit des Verstärkungscoeffizienten im Vergleich zur Phase des Eingangssignals, da die Phase der Schwingungen des „unbelasteten" Oszillators automatisch auf die optimale Form der Verstärkung des breiten Spektrums der Frequenzen eingestellt wird, was einen großen Vorteil der parametrischen Verstärkung im Vergleich zu der Einzel-Oszillatormethode begründet, bei der die Amplitude des verstärkten Signals von der Unterschiedlichkeit der Phasen des verstärkten Signals abhängt und deshalb „pump-up"-Signal genannt wird (mit der I-Frequenz ω).
Die ESZ-Nutzung lässt auch die Regenerations- und Superregenerationsform der Verstärkung realisieren. Dazu bringt man das Material zwischen den Elektroden in den Vorgenerierungszustand durch konstanten Strom und setzt das Niveau (Amplitude) des „pump-up"-Signals mit I-Frequenz ausreichend für diese oder andere Arten der Verstärkung. Bei einem großen Niveau des „pump-up"-Signals in den Geräten, die in der vorliegenden Weise die Verstärkung realisieren, entsteht die Generierung und es wird die Funktion des Generators erfüllt. Die Erzeugung des UHF-Signals kann dabei entweder in der weichen Art oder in der harten Art der Eigenschwingung in Abhängigkeit der Intensität der I-Vibration des ESZ realisiert werden.
Die Konstruktion und die Arbeit des vorgestellten UHF-Erzeugers ist beschrieben im Verhältnis zur Erzeugung, Verstärkung, Umgestaltung der harmonischen Signale. Der harmonische Charakter der Quanten der elastischen Wellen in dem kristallinen Gitter – akustische und optische Phononen – ist nicht fraglich. Tatsächlich sind sie bei der Gleichung der harmonischen Schwingungen beschrieben und die Berechnungen stimmen mit den experimentellen Daten überein. Die Harmonie der Eigenschwingung des Atomkerns innerhalb des Atoms ist analysiert in [24]. Die Atomkerne bewegen sich in der Umgebung des Zentrums der elektrischen Hülle des Atoms im Potentialfeld, das von den Elektronen der Hülle geschaffen wird. Das kugelförmige symmetrische Potentialfeld in der Umgebung des Zentrums der elektrischen Hülle, in der sich der Kern des elektrisch neutralen Atoms bewegt, kann man in Form der Reihe beschreiben:
Wobei Z* = (2 – 5/16)Z, Z = Atomzahl, e = Elektronenladung, a = Bohr-Radius, r = die Entfernung vom Elektron bis zum Zentrum der Hülle ist. Es ist erkennbar, dass sich die vorliegende Funktion von der parabolischen Abhängigkeit unterscheidet, da sie dritte und höhere Potenzen von x enthält, weswegen unharmonische Korrekturen zu der Energie der harmonischen Schwingung hinzutreten. Korrekturen der Selbstschwingung von α-Typs (ΔE_αυ) mit Schwingungszahlen υ = 0, 1, 2 und 3 wurden in erster und zweiter Ordnung der Störfalltheorie (pertubation theory) bezüglich [25, p. 93] berechnet. Wie es erwartet werden sollte, stehen die höchsten Werte dieser Korrektur mit dem oszillatorischen Zustand mit υ = 3 in Verbindung mit großen Amplituden der Kernversetzung. 7 zeigt grafisch die Korrektur bezüglich der Energie der Selbstoszillation der α-Typen (ΔE_αυ) in dem Zustand mit υ = 0, 1, 2, 3 für unterschiedliche Atome. In der Einfügung der 7 sind die Korrekturen unter Verwendung verschiedener Skalen der Atome mit Z > 10 gezeigt. Aus den Berechnungen kommt heraus, dass bei Atomen mit Z < 10 unharmonische Korrekturen bezüglich der Frequenzen (Energie) der Eigenoszillation 10^–3 nicht überschreiten, für Atome mit 10 < Z < 20 die Korrekturen 10^–4 nicht überschreiten, für Atome mit Z > 20 die Korrekturen nahezu 10^–5 sind. Es kann gesehen werden, dass unharmonische Korrekturen zu der Energie der Schwingungen mit υ = 3 nicht groß sind und bei υ = 0, 1, 2 sie sogar kleiner sind. Aus diesem Grund sind Schwingungen und Wellen, die durch den UHF-Generator erzeugt wurden, monochrom, enthalten so gut wie keine unharmonischen Korrekturen, was zum niedrigen Niveau des Eigenrauschens der Geräte, die solche Schwingungen der Atomkerne in den Atomen der Materialien verwenden, beiträgt.
Es sollte beachtet werden, dass prinzipiell die Möglichkeit besteht, die Frequenzen in dem vorgestellten UHF-Generator zu konvertieren. Tatsächlich basieren traditionelle Frequenzkonverter von UHF-Signalen auf der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennungslinie des elektronischen Gerätes. Eine parabolische Strom-Spannungs-Kennlinie ist für eine Frequenzumwandlung wünschenswert. Der vorgestellte UHF-Generator enthält in der Strom-Spannungs-Kennlinie des Materials zwischen den Elektroden keine Zonen mit negativer differentialer Leitfähigkeit und ist nicht parabolisch. Dennoch erzeugt der Generator elektromagnetische Schwingungen und Wellen und konvertiert Frequenzen der Signale. Die Generierung der Signale geschieht im Generator wegen der Elektronenschwingungsübergänge auf den ESZ, umwandeln der potentiellen Energie der Elektronen in die Energie der eigenen Schwingungen der Atomkerne und in UHF-Schwingungen und Wellen. Die Umformung der Frequenzen der Signale ist dank der parabolischen Abhängigkeit der Energie des Atomkerns von seiner Versetzung aus dem Zentrum der Hülle möglich. So wird hier die optimale (parabolische) Variante des Frequenzumwandlers realisiert. Außerdem sind die zugelassenen Frequenzen der Schwingungen der Atomkerne quantifiziert, diskret und andere Frequenzen sind verboten, und unharmonische Korrekturen der Signale existieren praktisch nicht, was zum besonders niedrigen Niveau des Eigenrauschens bei der Erzeugung und der Umformung der Frequenzen der UHF-Signale beiträgt.
In Anspruch 1 sind die wichtigsten Merkmale der Erzeugung der UHF-Schwingungen und Wellen, wie oben beschrieben, erklärt. Außerdem ist bei der Verwendung der Gleichrichterkontakte das Material zwischen den Elektroden vom übrigen Teil des Materials physisch durch den P-N Übergang getrennt, was die Bewegung der Hauptladungsträger ins Material zwischen den Elektroden und ihren Einfluss auf die Elektronenschwingungsübergänge und die Erzeugung der UHF-Schwingung verhindert, was zur Senkung des Niveaus des Eigenrauschens beim Betrieb der erklärten Einrichtung beiträgt.
Es ist nützlich zu beachten, dass die Erzeugung der UHF-Schwingungen und Wellen durch die Erfindung bei den ESZ in den Quanten, die den Quanten der akustischen Phononen gleich sind, durchgeführt wird, das heißt auf Kosten der Energie der akustischen Phononen mittels Verringerung der Anzahl (Dichte) der Phononen, was zur Temperatursenkung des Materials zwischen den Elektroden und zur Stabilisierung der Arbeitstemperatur des Materials beiträgt. Das Erwärmen des Materials bis zu den vernünftigen Temperaturen, bei denen die Eigenschaften des Materials, der ESZs und der Kontakte zum Material noch nicht verletzt werden, beschränkt die Nutzung der erklärten Einrichtung nicht und trägt zur Erhöhung der Leistung der UHF-Erzeugung bei. Das Erhitzen des Materials hat dabei praktisch keine Auswirkungen sowohl auf die Breite des generierten Frequenzbandes als auch auf das Niveau des Eigenrauschens, weil die Schwingungen der Elektronen eindimensional und quantifiziert sind, so dass dank dessen das spezifische Rauschen das Niveau von kT*/2 nicht erreicht, wobei T*-Debye Temperatur, die die Halbbreite des Bandes der generierten UHF-Frequenzen (kT*/ħ), beschreiben, und ħ die Planck'sche Konstante ist. Die Debye Temperatur T* des generierten Frequenzbandes ist verbunden mit dem Dämpfungskoeffizienten der ESZ Schwingungen (r). Das Eigenrauschen des vorgestellten UHF-Generators ist im Vergleich zu dem Rauschniveau eines zweidimensionalen Elektrodengases einer halbleiterbasierten Heterostruktur (zum Beispiel in HEMT Transistoren), die jetzt verwendet werden, geringer. Das kann erklärt werden, durch die geringere Anzahl (1) der Freiheitsgrade der Elektronen in dem vorgestellten Generator im Unterschied zu den 2 Freiheitsgraden in der Schichtstruktur, sowie durch den Fakt, dass die Debye Temperatur T* wesentlich kleiner ist im Vergleich zur Arbeitstemperatur des Gerätes T.
Bezüglich Anspruch 2. Der vorgestellte Generator für UHF-Schwingungen und Wellen hat eine Anzahl von UHF-Kanälen, allgemein gesprochen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Der Generator hat zwei oder mehr sich überschneidende UHF-Kanäle. Die UHF-Kanäle überschneiden sich in dem Punkt, wo das Material Elektroden aufweist und auf die Resonanzfrequenzen des Materials zwischen den Elektroden abgestimmt ist. Die Resonanzfrequenzen der UHF-Kanäle sind aus dem Spektrum der harmonischen, subharmonischen, ultraharmonischen oder ultrasubharmonischen Schwingungen gewählt, die bezüglich der außerdem definierten ganzen Zahlen m und n, die mit den Frequenzen der periodischen Schwingungen, wie sie in Formel 7 beschrieben sind, verknüpft sind, entsprechen. Deswegen kann der vorgeschlagene UHF-Generator gleichzeitig eine Anzahl von harmonischen Schwingungen und Wellen mit UHF-Frequenzen erzeugen; Wellen einer bestimmten Frequenz breiten sich entlang des separaten UHF-Kanals aus. Außerdem, wenn periodische harmonische Signale mit Frequenzen in dem Band der harmonischen, subharmonischen, ultraharmonischen oder ultrasubharmonischen Frequenzen mittels einem oder mehrerer UHF-Kanäle in das Material zwischen den Elektroden eingeführt wird, so werden in den anderen UHF-Kanäle die UHF-Wellen auf den Resonanzfrequenzen dieser Kanäle im Spektrum der angegebenen Typen der periodischen Schwingungen existieren. Diese Besonderheiten ermöglichen es, den vorgeschlagenen Generator als Quelle für UHF-Schwingungen und Wellen mit Frequenzen und Phasen, die aneinander angrenzen, zu verwenden. Der vorliegende Generator kann die Funktionen der Umformung der Frequenzen und der Verstärkungsfunktion der periodischen Signale auf Kosten der Energie der anderen periodischen UHF-Signale, die zugeführt zum Material zwischen den Elektroden oder im Material zwischen den Elektroden generiert werden, auch erfüllen.
Bezüglich Anspruch 3. Eine monolithische Struktur oder eine Halbleiterschicht auf halbleitendem oder dielektrischem Substrat wird als Material gewählt. Eine Schicht des Materials hat eine Stärke von mehr als 50 Mikron auf dem Substrat, was die Verwendung von kristallinen Phononen mit Frequenzen p bei der Arbeit des vorgestellten UHF-Generators ermöglicht. Es scheint wichtig zu sein, dass die Schicht des Materials auf dem Substrat eine Stärke von ungefähr 50 mkm aufweist, da sowohl Phononen auf dem Material als auch auf dem Substrat bis in eine Tiefe von 50 mkm eindringen. In diesem Falle wirken die Phononen des Substrats zusammen mit den Phononen des Materials bei der Erzeugung von UHF-Signalen bei dem vorgestellten Generator mit. Wenn die Dicke der Materialschicht auf dem Substrat wesentlich kleiner ist als 50 mkm, beeinflussen die Phononen auf dem Material die Arbeit des UHF-Generators kaum und die Phononen auf dem Substrat erweisen sich als wesentlich. In diesem Fall können die Phononen der Substrate an der Erzeugung der UHF-Signale im Generator teilnehmen. Auf diese Weise existiert ein breites Spektrum von Materialien, Substraten und Dicken der Materialien auf den Substraten innerhalb der Dicke von bis zu 50 um für den vorgeschlagenen UHF-Generator, um mit jedem gewünschten Satz von UHF- Frequenzen zu arbeiten, Funktionen zu realisieren für die der Erzeugung von einer oder mehreren Frequenzen, für die Umformung der Frequenzen, die Verstärkung der Schwingungen der Wellen einschließlich der parametrischen Verstärkung.
Bezüglich Anspruch 4. Der erwähnte UHF-Generator kann auch in solchen Fällen arbeiten, in denen ESZ nur in die Teile des Materials zwischen den Elektroden, zum Beispiel in die Teile des Materials anliegend an die Elektroden, eingeführt wird. Die Interaktion zwischen ESZ in diesen Teilen wird realisiert mittels eines Austauschs von Phononen über eine Distanz, die der durchschnittlichen Länge eines freilaufenden Phonons entspricht. Diese Entfernung kann die Länge der elastischen Welle um ein Vielfaches überschreiten und ist vergleichbar mit der Entfernung zwischen den Elektroden D. Diese Möglichkeit wird in Anspruch 4 zur Verwendung vorgeschlagen.
Bezüglich Anspruch 5. In dem Material zwischen den Elektroden werden Schwingungen und Wellen mit einem ungefähren Frequenzband von 1 GHz und bis zu einer Frequenz, die die Frequenz der akustischen Phononen in dem Material oder in dem Substrat (S + 2) mal überschreitet, generiert. Dies deshalb, weil die UHF-Resonanzfrequenz der des Materials entspricht, die eine Resonanzfrequenz in den Grenzen von 1 GHz bis zu einer (S + 2) teilbaren Frequenz der Frequenzen der akustischen Phononen in dem Material oder in dem Substrat hat, die an den Elektronenschwingungsübergängen im Material mitwirken, wobei S die Kopplungs-Konstante der Elektronen mit den Phononen auf dem ESZ ist.
Bezüglich Anspruch 6. Aus der 4 ist sichtbar, dass bei einer festen Spannung zwischen den Elektroden, im Modus des Spannungsgenerators, auf dem Gebiet der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie, das Magnetfeld quer zu dem Strom in dem Material zwischen den Elektroden eine Erhöhung des Stroms hervorruft. Diese Eigenschaft erlaubt es im erklärten Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen eine positive Rückkopplung zwischen dem Strom und Material zwischen den Elektroden und dem Magnetfeld der generierten UHF-Welle zu erzeugen. Um dies zu erreichen genügt es, das Material zwischen den Elektroden in dem Magnetfeld der erzeugten Welle zu lokalisieren, derart, dass das Magnetfeld der UHF-Welle normal zum Strom ausgerichtet wird. In diesem Fall ermöglicht die positive Rückkopplung zwischen der UHF-Welle und dem Strom in dem Material die Bedingung der Eigenschwingung der elektromagnetischen Schwingungen und Wellen leichter zu erreichen, was dem Ziel der Erfindung entspricht. Die Stärke der positiven Rückkopplung kann leicht durch Änderung der Position des Materials in dem Feld der UHF-Welle oder bei Änderung der Position der Elemente der Resonanzeinstellung des UHF-Kanals eingestellt werden. Diese Einstellungen des UHF-Generators erlauben es, einen weichen, harten und gestuften Betriebsmodus sowie einen Regenerations- und Superregenerationsmodus des UHF-Generators auszuführen.
Aus der 4 ist auch sichtbar, dass bei einem konstanten Strom in dem Material zwischen den Elektroden die Erhöhung des magnetischen Feldes quer zum Strom eine Verringerung der Spannung zwischen den Elektroden hervorruft, und zwar in einem Modus des Stromgenerators. Dies entspricht der Verringerung der elektrischen Energie, die von dem Material verbraucht wird und der Verringerung der erzeugten UHF-Leistung. Mit anderen Worten, in dem Modus des Stromgenerators wird eine Rückkopplung zwischen dem magnetischen Feld der UHF-Welle und der Spannung an den Elektroden realisiert.
Im Endeffekt scheint es möglich, eine positive und negative Rückkopplung zwischen dem Strom zwischen den Elektroden und dem magnetischen Feld der generierten UHF-Welle zu realisieren. Dazu werden Moden des Stromgenerators und des Spannungsgenerators zur Speisung des Materials zwischen den Elektroden von einer externen Stromquelle verwendet. Ein intermediärer Modus zwischen den Moden des Stromgenerators und des Spannungsgenerators kann für eine optimale Funktion des UHF-Generators gewählt werden.
Sowohl positive als auch negative Rückkopplung ist mittels der Änderung der Position des Materials zwischen den Elektroden in dem Feld der generierten UHF-Welle einstellbar. Daher wird der UHF-Generator mit einem Gerät zur Verfügung gestellt zum Drehen und Bewegen des Materials mit den Elektroden innerhalb des Wellenkanals, zum Setzen des Materials mit den Elektroden auf einen gewissen Winkel (zwischen dem Strom in dem Material und dem magnetischen UHF-Feld) und in einem bestimmten Platz innerhalb der Länge der UHF-Welle in dem Wellenkanal.
Bezüglich Anspruch 7. Die zusätzlichen Elektroden bilden Gleichrichterkontakte zum Material zwischen den Elektroden, und eine Spannung, die an diesen zusätzlichen Elektroden relativ zum Material und zwischen den Elektroden angelegt wird, ermöglicht es, mittels des Feldeffektes die Form und Länge der Stromlinie zwischen den Elektroden zu ändern, so dass die Leistung der UHF-Erzeugung geändert werden kann. Im Falle der direkten Ausrichtung treten Injektionen der Ladungsträger ins Material an den zusätzlichen Elektroden auf, was durch die Erfassung der Träger bei ESZ, Änderung der Anzahl der Ladungsträger bezüglich der Schwingungen am ESZ und entsprechendes Ändern der Leistung der UHF-Schwingungen in dem Material begleitet wird. Das Verwenden von mehr als zwei zusätzlichen Elektroden ermöglicht es, weitere Funktionsabhängigkeiten der UHF-Leistung im Vergleich der Spannungen an den zusätzlichen Elektroden zu realisieren. Begrenzungswerte der Spannungen bezüglich der zusätzlichen Elektroden können in Abhängigkeit der Merkmale der Verbindungen gewählt werden; die Wahlbedingungen sind deutlich und nicht widersprüchlich.
Die Möglichkeit, die Frequenzen und Phasen der UHF-Schwingung zu synchronisieren, basiert auf dem Merkmal der erzwungenen Schwingungen der harmonischen Schwingung, um Frequenzen und Phasen eines externen Störeinflusses bezüglich des Ausdrucks (3) zu übernehmen. Für die Synchronisation wird eine synchronisierte elektrische Wechselspannung mit Amplituden nicht kleiner als Φ/e mit gewünschten Frequenzen und Phasen der UHF-Erzeugung angelegt, oder in den Momenten der Errichtung der Null-Phase der UHF-Erzeugung haben kurze Impulse der Spannung eine Länge nicht kürzer als die Periode der Schwingungen 2π/ϖ, wobei ϖ = zyklische Frequenz der UHF-Generation, die an den zusätzlichen Elektroden angelegt wird. Die Periodizität des Folgens der kurzen synchronisierten Impulse der Spannung kann dabei länger sein als die Periode der UHF-Schwingungen 2π/ϖ, schätzungsweise Q-mal, wobei Q-Q-Faktor des UHF-Resonanzsystems ist, das mit dem Material zwischen den Elektroden verbunden ist.
Die Synchronisationsspannung wird an den zusätzlichen Feldelektroden angelegt, wobei abhängig von der Polarität und der Größe Ladungsträger in der nahen Kontaktzone oder in die nahe Kontaktzone iniziierte Ladungsträger abgereichert werden. Als Ergeb nis ändert sich die Rekombination an den Trägern bei den ESZs. Je nach Frequenz und Phase der Synchronisationsspannung ändert sich die Leistung, die Frequenz und die Phase der UHF-Schwingungen der ESZs. Diese technische Möglichkeit der Regulierung der Frequenz und der Phase der generierten Schwingungen wird durch die vorliegende Erfindung verwirklicht.
Im vorgenerativen Modus, wenn die Intensität des elektrischen Feldes in dem Material zwischen den Elektroden zusammen ungefähr den Bereich von (10³...10⁴) V/cm erreicht, aber die UHF-Schwingungen und Wellen fehlen, wird zusätzlich zu dem wirkenden elektrischen Feld oder der Beleuchtung des Materials zwischen den Elektroden eine Erzeugung der UHF-Schwingungen und Wellen verursacht. Diese Möglichkeit wird benutzt für die Erkennung und Verstärkung des UHF-Signals. Dazu ist das (elektrische UHF) Signal (Signale) für eine Verstärkung zugänglich, wenn es an der zusätzlichen Elektrode (Elektroden) anliegt, oder die optische Strahlung wird direkt in das Material zwischen den Elektroden gelenkt. Das elektrische Feld des Signals und das elektrische Feld, das in dem Material existiert, summieren sich und die UHF-Schwingungen beginnen in dem Material, wobei die Leistung und Phase von der Leistung und der Phase der detektierten (verstärkten) Signale abhängt. Der gleiche Effekt wird auch bei der Beleuchtung des Materials zwischen den Elektroden erreicht.
Bezüglich Anspruch 8. Das Vorhandensein von durchlässigen oder halbdurchlässigen Elektroden in dem UHF-Generator lässt das die ESZs enthaltende Material zwischen den Elektroden in dem Spektralband der Absorbierung durch die ESZs oder des Materials, oder in dem Spektralband von beidem, belichten. Eine externe Beleuchtung ändert die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger bei den ESZs und beeinflusst somit die erzeugte Leistung der UHF-Schwingungen und Wellen. Der Effekt der Bestrahlung auf die UHF-Schwingungen hört auf, wenn die Elektronenzustände an den ESZs mit Elektronen gefüllt sind. Dieser Zustand wird erreicht, wenn das Material zwischen den Elektroden degeneriert wird, d. h. wenn die Konzentration der Ladungsträger durch das Licht (Iζτ) mit der wirksamen Zahl der Zustände in der erlaubten energetischen Zone des Materials entspricht, wobei I die Intensität der optischen Strahlung, ζ der Koeffizient der optischen Absorbierung durch das Material in dem besagten Spekt ralband ist, und t die Lebenszeit der Ladungsträger ist, mit
wobei k die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur des Materials, m*_nd die effektive Masse der Ladungsträger der Zustandsdichte ist und h = 2πħ die Planck-Konstante [11–13] ist. Diese Besonderheit des Generators für UHF-Schwingungen und Wellen wird unter den Bedingungen der Beleuchtung des Materials zwischen den Elektroden in Anspruch 8 für die optische Regulierung der von der generierten UHF-Leistung zur Verwendung vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Generator ermöglicht, die Erzeugung der UHF-Schwingungen und Wellen mit einer schnellen Erfassung (Detektion) der optischen Strahlen zu verbinden. Insbesondere lässt dieser Generator die Schaffung einer kompakten Einrichtung, die gleichzeitig die Erkennung der optischen Signale und die UHF-Antworten auf die optischen Anfragen gewährleistet, zu.
Bezüglich Anspruch 9. Die Quelle des Magnetfeldes im Generator entlang der Stromlinien zwischen den Elektroden und mit einer Induktivität von 0 bis B = 4mϖ²/e wird gemäß der Beziehung (10) die ESZ-Schwingungen mit zyklischen Frequenzen von 0 bis ϖ unterdrücken und ist in der Regel mit der Versetzung der Elektronen bezüglich der Stromlinie verbunden. Es trägt zur Vergrößerung der generierten UHF-Leistung und zur Senkung des Eigenrauschens bei, da die Unterdrückung der Vibrationen tangenzial zu den Stromlinien ihre Leistung zu der Leistung der längs laufenden Vibrationen hinzu addieren, was die Schwankungen der Ladungsträger im Strom und die betreffenden Rauschsignale verringert und gar komplett eleminiert. Bei Wahl einer angemessenen Stärke des längs laufenden Magnetfeldes in den besagten Grenzen ist es möglich, die bestehende UHF-Leistung zu erhöhen und das Eigenrauschen zu verringern.
Bezüglich Anspruch 10. Eine Quelle des Magnetfeldes lässt unterschiedliche Ausrichtungen der Induktion dieses Magnetfeldes bezüglich der Richtung zwischen den Kontakten zu und lässt einen längs laufenden Teil der Induktion des Magnetfeldes entlang einer Normalen zu den Stromlinien in dem Material zwischen den Elektroden zu, was die Möglichkeit der Unterdrückung elektrischer Schwingungen mit geringen Frequen zen zur Verfügung stellt. Die Energie der unterdrückten Schwingungen wird der Leistung der Erzeugung hinzugefügt und das Niveau des Eigenrauschens verringert sich passend zu der Verengung des Frequenzbereiches. Ein Teil der Induktion des magnetischen Feldes normal zum Strom erfordert eine Stärke von 0 bis 4ϖ²m/e, wobei ϖ die zyklische Frequenz der UHF-Erzeugung, m die effektive Masse der Ladungsträger im Material und e die Elektronenladung ist.
Bezüglich des Ausdrucks (10), Magnetfelder sind normalerweise ausgerichtet an den Stromlinien in dem Material mit einer Induktivität B = 4ϖ²m/e, die ESZ-Schwingungen mit zyklischen Frequenzen von 0 bis ϖ unterdrücken (verhindern unmöglich machen). Bezüglich Anspruch 10 schafft man im Material zwischen den Elektroden quer laufend zum Strom das Magnetfeld mit der Größe der Induktion von 0 bis zu 4ϖ²m/e, wobei ϖ die Frequenz der erzeugten UHF-Schwingungen ist. Dadurch sind Schwingungen des ESZs mit Frequenzen unter ϖ gedampft oder eliminiert, und mit ihnen wird auch das entsprechende niederfrequente Rauschen eliminiert. Die Leistung der unterdrückten Schwingungen wird zu der Leistung der generierten Schwingungen hinzuaddiert, wobei sich der mögliche Bereich der generierten Frequenzen von [0,(S + 2)·p] bis auf [p* > 0, (S + 2)·p] verengt, wobei S die Kopplungskonstante zwischen den Elektronen und den Phononen auf den ESZs, p die zyklische Frequenz der mit den ESZs zusammenwirkenden Phononen und p* die maximale Frequenz der Phononen, die in dem Magnetfeld unterdrückt werden, ist. Die o. g. Besonderheit der Erzeugung von UHF-Schwingungen in einem Magnetfeld quer zu der Stromrichtung in dem Material wird für die Verwendung der Erhöhung der UHF-Leistung und der Verkleinerung des Rauschens in dem vorgeschlagenen UHF-Generator vorgeschlagen.
Bezüglich Anspruch 11. Die Forschungen der ESZs in den Halbleitern haben gezeigt, dass akustische (und optische) Schwingungen und Phononen außerdem Synchronisationseffekte über den Schwingungen der ESZs produzieren und somit die Verstärkung der UHF-Erzeugung fördern. Die effektivste Rolle der akustischen und optischen Phononen ist unter den Bedingungen der akustisch-elektrischen Synchronisation, d. h. wenn die Phononen in dem Material zwischen den Elektroden (z. B. an einer seiner Oberflächen) geboren werden, zu ihrer gegenüberliegenden Seite fliegen (mit Schallgeschwindigkeit), die das Material begrenzt (bis zur Grenze des Materials), dort von ihr reflektiert werden und durch das Material zurück zwischen die Elektroden mit einer Phase, welche den Bedingungen der akustisch-elektrischen Synchronisation entspricht. In solchen Fällen werden die UHF-Schwingungen verstärkt. Die Bedingungen der akustisch-elektrischen Synchronisation sind erfüllt, wenn die zurückkehrenden Phononen die vorherige Phase haben. Z. B. bei der Dicke des Materials W ist der Weg, der der Schall (Phonon) zurücklegt, gleich oder teilbar durch 2 W und die Zeit, die beim Zurücklegen des Weges durch das Phonon verbraucht wird, ist gleich oder teilbar durch 2 W/V_snd, wobei V_snd die Schallgeschwindigkeit in Richtung W ist. Wenn wir diese Zeit mit der Periode der hochfrequenten Schwingung 1/f = 1/f_UHF = 2π/ϖ gleichsetzen, werden wir die Bedingungen der Synchronisation W = πV_snd/ϖ erhalten, wobei V_snd die Schallgeschwindigkeit entlang der Richtung (Richtungen) W und das ϖ die zyklische Frequenz der UHF-Erzeugung ist.
Die gleichen Bedingungen der Synchronisation werden auch in die andere Richtung erfüllt, und zwar in die Richtung der anderen Oberfläche des Materials, ausgenommen das Material zwischen den Elektronen auf W oder auf einer Distanz teilbar zu W, die außerdem die Erhöhung der erzeugten UHF-Leistung fördert.
Die zusätzliche Erhöhung der UHF-Leistung und Abschwächung des Eigenrauschens kann erzielt werden mittels der Lokalisation der Elektroden bezüglich einer besonderen kristallografischen Richtung in dem Halbleitermaterial zwischen den Elektroden. Genau in diesem Fall liegt der kürzeste Weg (mit einer Länge D) von der einen Elektrode zu der anderen entlang der besonderen kristallografischen Richtung, entlang des elektrischen Feldes und in Richtung des Stromes in dem Material zwischen den Elektroden. Wenn die Frequenz der erzeugten UHF-Schwingungen und Wellen die Frequenz der akustischen Phononen (p'), die sich in dem Material entlang dieser Richtung ausbreiten, übereinstimmen oder ein Teiler der Frequenz dieses Phonons ist, dann wird genau dieses Phonon bei den UHF-Schwingungen der ESZs teilnehmen, und die Teilnahme von Phononen mit unterschiedlichen Ausrichtungen ihrer Ausbreitung (allgemein andere Frequenzen) wird abgeschwächt. Auf diese Weise wird das Spektrum der Phononenteilnahme in der UHF-Erzeugung bei den ESZs begrenzt und der entsprechende Pegel des Eigenrauschens auch verringert. Außerdem werden Modi der UHF-Schwingungen mit Frequenzen unterschiedlich von p' abgeschwächt und die elektrische Leistung wird an dem Material zwischen den Elektroden angelegt und dort verbraucht, so dass das dies umgeformt wird in eine UHF-Schwingung auf der Frequenz der Erzeugung p'. Mit anderen Worten, die Wahl der kristallografischen Richtung, entlang derer das elektrische Feld sich in dem Material zwischen den Elektronen arbeitet, ist wichtig. Es wird eine derartige Anordnung der Elektroden gewählt, so dass die kristallografische Richtung in dem Material auf dem kürzesten Weg (D) zwischen ihnen mit der Richtung der Wellenvektoren der Phononen übereinstimmt, deren Frequenzen der Frequenz der UHF-Erzeugung oder eine Ganzzahl ihrer Frequenzen gleich sind und die Frequenz der UHF-Erzeugung bilden. Dies gewährleistet die Abschwächung des Eigenrauschens und Erhöhung der Leistung der UHF-Schwingungen.
Bezüglich Anspruch 12. Die Einrichtungen nach den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung können als Teil eines elektronischen Halbleitergerätes konstruiert werden, welches elektronische Schaltungen auf einem Halbleitermaterial enthält, oder einem Gerät bezüglich mindestens einem der vorstehenden Ansprüche.
Figuren
1 zeigt eine Dispersionskurve der akustischen Schwingungen (Phononen). Die durchgängige Linie 1 in der 1a) stellt den Zweig der akustischen Schwingung (des störungsfreien Kristalls) qualitativ ideal dar. Die punktierte Linie 2 stellt den Zweig der akustischen Schwingungen im Kristall dar, der die Elektronen-Schwingungszentren enthält, mit π/a als die Grenze der Brillouin-Zone und mit a als die Konstante des kristallinischen Gitters. Die Linie 3 der 1b) zeigt in qualitativer Hinsicht die Abhängigkeit der Dichte der akustischen Schwingungen G(p) von ihrer Frequenz (p) unweit des Zentrums der Brillouinschen Zone (q ≈ 0) in dem ESZs enthaltenen Material.
2 zeigt die schematische Anordnung der Elektroden 4 und 5 auf der Oberfläche des Materials mit einem Abstand D zwischen den Elektroden.
3a) zeigt die Strom-Spannungskennlinie des GaAs-Materials zwischen den Elektroden mit einem Abstand D = 100 mkm zwischen ihnen. Die Strom-Spannungskennlinie 6 wurde dabei ohne Belichtung des Materials (in der Dunkelheit) gemessen, die Strom-Spannungskennlinien 7 und 8 wurden dabei bei unterschiedlicher Intensität der Belichtung des Materials gemessen. 3b) zeigt die Strom-Spannungskennlinie eines gleichartigen (GaAs) Materials mit D = 25 mkm zwischen den Elektroden. Die Strom-Spannungskennlinie 9 wurde dabei bei T = 78 k in der Dunkelheit gemessen, die Strom-Spannungskennlinie 10 bei T = 78 k unter Belichtung des Materials gemessen. Die Strom-Spannungskennlinie 11 ist bei Zimmertemperatur in der Dunkelheit gemessen worden, und die Strom-Spannungskennlinie 12 ist bei Zimmertemperatur unter Beleuchtung des Materials gemessen worden.
4 zeigt die Strom-Spannungskennlinie des (GaAs) Materials zwischen den Elektroden mit D = 100 mkm. Die Strom-Spannungskennlinie 13 ist ohne magnetisches Feld gemessen worden, die Strom-Spannungskennlinien 14 und 15 sind in unterschiedlichen Magnetfeldern, die normal zum Strom in dem Material ausgerichtet sind, gemessen worden. Die gepunktete Linie repräsentiert das ohmsche Gesetz.
5 zeigt die Abhängigkeit von der Ableitung dE/dB, wobei E die durchschnittliche Intensität des elektrischen Feldes in dem Material und B die Induktion des magnetischen Feldes quer zum Strom, gemessen bei Zimmertemperatur in dem (Si) Siliziummaterial, ist.
6 zeigt die Strom-Spannungskennlinie des (GaAs) Materials zwischen den Elektroden (D = 100 mkm) in der Zone, wenn die Intensität des elektrischen Feldes auf die kritische Intensität E > 10³ V/cm eingestellt ist. Die Stromspannungskennlinie 16 ist in der Dunkelheit ohne magnetisches Feld gemessen worden. Die Strom-Spannungskennlinie 17 ist in der Dunkelheit bei Vorhandensein eines quer laufenden magnetischen Feldes mit einer Induktion B = 0,2 Tesla gemessen worden. Kurve 18 ist unter Beleuchtung des Materials ohne magnetisches Feld gemessen worden. Kurve 19 ist unter Beleuchtung des Materials in dem quer laufenden magnetischen Feld mit B = 0,2 Tesla gemessen worden. Die punktierte Linie repräsentiert das ohmsche Gesetz.
7 zeigt eine grafische Repräsentation des Ergebnisses der Berechnung der unharmonischen Korrekturen zu der Energie der Eigenschwingungen der Kerne in dem Zustand mit Werten der Schwingungsquantenzahlen υ = 0, 1, 2, 3 in dem Atom mit der Nummer Z.
8 zeigt eine grafische Repräsentation der Daten bezüglich der relativen Leistung der UHF-Schwingungen (P*) in den unterschiedlichen Materialien in Abhängigkeit der Größe des Abstandes zwischen den Elektronen (D): Gallium Arsenid (GaAs)-20, Indium Phosphat, legiert mit Eisen und Tellur (InP:Fe:Te)-21, Silizium (Si)-22, Verbund (InGaAsP)-23, vierfach Verbindung auf halbisolierendem Substrat aus Indium Phosphat (InGaAsP/Inp)-24.
Bibliographisches Verzeichnis

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24. Wdowenkow W.//Adiabatische und nicht adiabatische Elektronik des Materials/Materials der internationale wissenschaftliche Konferenz "Plenki-2005", Moskau, 2006, Band 2, S. 99–104. i. d.: arXiv cond-mat
25. Fluegge S.//Aufgaben nach der Quantenmechanik. – M.: Mir, 1974, Band 1, 338 S., Band. 2, 313 S.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Born M, Oppenheimer. Review of the Interpretation of Luminescence phenomena. Ann. D. Phys. 1927. H. 84, N⍛ 4. S. 457 [0115]
- Dirac P. A. M. Note an the excharge phenomena in the Thomas atom. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1930. H. 26. S. 376 [0115]
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Claims

Generator für elektromagnetische ultrahochfrequente (UHF) Schwingungen und Wellen mit einem UHF-Resonanzsystem in der Form von einem Schwingungsschaltkreis, einem Resonator, und/oder einer wellenleitenden, koaxialen, streifenleitungsförmigen oder wellenverzögernden Struktur und mit einem Halbleitermaterial mit Elektroden, die Kontakte zum Halbleitermaterial bilden, zwischen denen ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei das Material zwischen den Elektroden auf das UHF-Resonanzsystem abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass irgendein nicht entartetes oder schwach entartetes Halbleitermaterial verwendet ist, auf dessen Oberfläche oder in dessen Volumen die Elektroden gebildet sind, die Gleichrichterkontakte zum Halbleiter bilden, wie z. B. Metall-Halbleiter-Kontakte wie Schottky-Kontakte, der Abstand zwischen den Elektroden D in den Grenzen von D_min = 0,2 mkm bis D_max = 400 mkm gewählt ist, das Material zwischen den Elektroden Elektronen-Schwingungs-Zentren (ESZs) mit einer Konzentration von 2 × 10¹² cm^–3 bis 2 × 10¹⁷ cm^–3 enthält, wobei zwischen den Elektroden eine externe elektrische Spannung angelegt ist, die in dem Material zwischen den Elektroden einen Strom hervorruft, und wobei das resultierende elektrische Feld eine Stärke aufweist, die auf den nicht-linearen Bereich der Strom-Spannungs-Charakteristik abgestimmt ist, aber geringer ist als die Durchbruch-Feldstärke des Materials zwischen den Elektroden.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei oder mehr UHF-Kanäle, die einander an der Stelle des Materials mit Elektroden kreuzen und die an das Material zwischen den Elektroden angepasst sind.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Auswahl des Materials in der Form eines monolithischen Substrats oder in der Form einer Schicht mit einer Dicke von bis zu 50 mkm auf halbisolierendem oder dielektrischem Substrat.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ESZs nur in eine verarmte Zone oder in Teile einer verarmten Zone des Materials zwischen den Elektroden, z. B. in einen Teil des auf die Elektroden abgestimmten Materials, eingebracht werden.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das UHF-Resonanzsystem, das an das Material angepasst ist, eine Resonanzfrequenz in den Grenzen von 1 GHz bis zur Frequenz hat, die (S + 2)-teilbar zur Frequenz von akustischen Phononen ist, die an den Elektronenschwingungsübergängen in dem Material teilnehmen, wobei S die Koppelkonstante zwischen Elektronen und Phononen ist.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zwischen den Elektroden in einem magnetischen Feld der erzeugten UHF-elektromagnetischen Welle derart angeordnet ist, dass mindestens ein Teil des magnetischen UHF-Feldes entlang einer Normalen zu den Stromlinien in dem Material existiert.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator eine zusätzliche Feldelektrode oder eine Anzahl von zusätzlichen Feldelektroden hat, die Gleichrichter-Verbindungen zum Material zwischen den Elektroden bilden, z. B. Schottky-Verbindungen oder dielektrische Halbleiter-Metallkontakte.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator mindestens eine Elektrode oder mindestens eine zusätzliche Feldelektrode hat, die transparent oder halbtransparent in dem Spektralband der Absorption durch ESZs oder dem Material oder sowohl den ESZs und dem Halbleitermaterial ist.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator eine Quelle des magnetischen Feldes aufweist, das entlang der Stromlinien in dem Material zwischen den Elektroden gerichtet ist, mit einer Induktanz von 0 bis 2 Tesla.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle des magnetischen Feldes unterschiedliche Orientierungen der Induktanz des magnetischen Feldes in Bezug auf die Richtung zwischen den Kontakten ermöglicht und erlaubt, einen Teil des magnetischen Feldes entlang der Normalen zu den Stromlinien in dem Material zwischen den Elektroden mit einer Stärke von 0 bis 4ϖ² m/e zu bilden, wobei ϖ die zyklische Frequenz der UHF-Erzeugung, m die effektive Masse eines Ladungsträgers in dem Material und e die Elektronenladung ist.
Generator für elektromagnetische UHF-Schwingungen und Wellen nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe oder die Größen des Halbleitermaterials oder eines Substrates oder sowohl des Substrates und des Halbleiters (W) so gewählt ist oder gewählt sind, dass sie die Bedingungen des akustisch-elektrischen Synchronismus erfüllen, d. h. gleich oder teilbar durch W = πV_snd/ϖ, wobei V_snd die Geschwindigkeit des Schalls entlang der Richtung oder Richtungen W und ϖ die zyklische Frequenz der erzeugten UHF-Schwingungen ist.
Elektronisches Halbleitergerät mit einer elektronischen Schaltung, die aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Gerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut ist.