FI122219B - Järjestely aaltojohdinhaarassa elektronivirran kanavoimiseksi ja vastaava menetelmä - Google Patents

Description

JÄRJESTELY AALTOJOHDINHAARASSA ELEKTRONIVIRRAN KANAVOIMISEKSI JA VASTAAVA MENETELMÄ

Keksinnön kohteena on järjestely aaltojohdinhaarassa elekt-5 ronivirran kanavoimiseksi, jossa haarassa on sovitettu yhtymään tulokanavisto ja ainakin kaksi lähtökanavaa ja joka elekt-ronivirta on sovitettu kanavoitavaksi tulokanavistosta haluttuun lähtökanavaan ohjausvälineillä, jotka on sovitettu toiseen lähtökanavaan. Lisäksi keksintö koskee myös vastaavaa menetel-10 mää.

Tekniikan tasoa elektronivirtojen hallitsemisessa aaltojohtimis-sa edustavat aaltojohdinhaarat. Ne ovat erityisiä kytkimiä, jotka yhdistävät ainakin kolme aaltojohdinta toiminnallisesti 15 toisiinsa. Eräs esimerkki tällaisesta haaraumatyypistä on Y-haara. Se muodostaa tyypillisesti erityisen kammion, johon aaltojohtimet kytkeytyvät asetetussa geometriassa suhteessa toisiinsa. Eräs haaran tehtävistä on ohjata ainakin yhdestä johtimesta kammioon sisäänmenevä elektronisuihku halutulla 20 tavalla yhteen tai useampaan ulostulojohtimeen. Yksinkertaisimmillaan kyse voi olla aaltojohtimen valinnasta, jolloin voidaan puhua myös kytkinyksiköstä.

Tunnettua on myös pyrkiä muodostamaan Y-haara sellaiseksi, että 25 sisäänmeno- ja ulostuloaaltojohtimien välinen kulma olisi mahdollisimman optimaalinen suhteessa toisiinsa. Kuten tunnettua, johtimissa ja kytkinhaarassa tapahtuvat heijastumat aiheuttavat o ^ häviöitä elektronivirtoihin, joka on tunnettu ongelma. Eräs o pyrkimys on muodostaa haaraumaan kytkettyjen aaltojohtimien cm 30 välinen kulma mahdollisimman lähelle 180 astetta nolla-heijastu- c man ja lähes täydellisen siirtymän aikaan saamiseksi. Tähän o, liittyviä ratkaisuja esittävät muun muassa Internet-viitteet [1]

CM

S ja [2].

00 o o

CM

35 Patenttijulkaisuista tunnettuja aaltojohdmjärjestelyjä esittävät US - patentti 5,903,010, EP - patenttihakemusjulkaisu 0 520 966 A2 ja WO - julkaisu 01/88953 A2.

2 US - patentti 5,640,022 esittää kvanttiefektilaitetta, jonka eräässä sovellusmuodossa (kuva 28) ohjausvälineet on sijoitettu lähtökanavaan. Ohjausvälineet muodostavat tässä tapauksessa potentiaalimuurin eli eräänlaisen "peilin", joka heijastaa 5 elektronivirran ainakin osittain myös toiseen lähtökanavaan. Heijastuksen aikaan saamiseksi ohjausvälineet muodostavat lähtö-kanavaan "potentiaali pilven", jolloin ohjausvälineiden sähköinen vuorovaikutus vaikuttaa kanavan koko poikkileikkauksen alueella. Tällöin laite toimii diodiperiaatteella eli elekt-10 ronivirtaa on molemmissa lähtökanavissa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan järjestely aalto-johdinhaarassa, joka on tunnettuun nähden nopeatoimisempi ja sietää myös hyvin elektronien välisestä vuorovaikutuksesta 15 aiheutuvia häiriöitä. Lisäksi keksinnöllä on tarkoitus toisaalta yksinkertaistaa ja toisaalta myös monipuolistaa aaltojohdinkyt-kimien toteutusta. Keksinnön mukaisen järjestelyn tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Lisäksi keksintö koskee myös menetelmää elektronivirran kanavoimiseksi aaltojoh-20 dinhaarassa, jonka menetelmän tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 12.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa aaltojohdinhaaran ohjausvälineet muodostuu toiminnaltaan sähköiseen vuorovaikutukseen perus-25 tuvista välineistä, joilla on sovitettu muutettavaksi ohjausvä- ^ lineillä varustetun lähtökanavan geometriaa elektronivirran o ^ kanavoimiseksi vastakkaiseen lähtökanavaan. Tällöin haaran 9 kanavat voivat yhtyä toisiinsa siten, että pääosa tulokanaviston ^ elektronivirrasta kanavoituu ohjausvälineillä varustettuun x g 30 lahtökanavaan.

CD

(M

ίο Erään sovellusmuodon mukaan tulokanaviston ja lähtökanaviston co o geometrialla voidaan vaikuttaa aaltojohdinhaaran toivotunlaiseen

CM

toimintaan. Erään sovellusmuodon mukaan lähtökanavien välinen 35 kulma voi olla yllättävällä tavalla suurempi kuin tulokanavan ja kunkin lähtökanavan välinen kulma.

3

Ohjausvälineiden toimintaperiaate perustuu sähköiseen vuorovaikutukseen. Tällöin ohjausvälineillä varustetun ainakin yhden lähtökanavan geometriaa voidaan muuttaa elektronivirran kanavoimiseksi toiseen lähtökanavaan. Erään sovellusmuodon mukaan 5 ohjausvälineet voivat muodostua sähköiseen vuorovaikutukseen perustuvasta porttielementistä.

Aaltojohdinkytkimen toiminnan tehostamiseksi aaltojohdinhaaraan voi kuulua myös rajoitinrakenne. Sillä voidaan estää elekt-10 ronivirran pääsy toiseen lähtökanavaan suoraan tulokanavasta.

Myös elektronivirran energiaa voidaan hallita aaltojohdinkytkimen toiminnallisuuden parantamiseksi. Eräs ensimmäinen tapa on järjestää tulokanavan geometriaan kaksi kaventumaa. Erään toisen 15 sovellusmuodon mukaan tulokanavassa voi olla toiminnallinen elektronimonokromaattori. Keksinnön mukainen järjestely voi olla osana esimerkiksi key scheme- tai liipaisujärjestelmää (trigger system).

20 Muut keksinnölle ominaiset piirteet käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista ja muita keksinnöllä saavutettavia etuja on mainittu enemmän selitysosassa.

Keksintöä, jota eivät seuraavassa esitettävät suoritusmuodot 25 mitenkään rajoita, selostetaan tarkemmin viittaamalla oheisiin ^ kuviin, joissa o C\1 ? Kuva 1 esittää erästä esimerkkiä keksinnön mukaises- ^ ta aaltojohdinhaarasta kaaviokuvana ilman x £ 30 elektronivirtoja, en Kuva 2 esittää kuvan 1 mukaista sovellusesimerkkiä

CM

S aaltojohdinhaarasta elektronivirtoineen oh- oo § jausvälineiden ollessa ensimmäisessä toimin-

C\J

tatilassaan, 35 Kuva 3 esittää kuvan 1 mukaista sovellusesimerkkiä aaltojohdinhaarasta elektronivirtoineen oh- 4 jausvälineiden ollessa toisessa toimintatilassaan,

Kuva 4 esittää erästä toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta aaltojohdinhaarasta kaaviokuvana 5 ilman elektronivirtoja,

Kuva 5 esittää erästä kolmatta sovellusesimerkkiä keksinnön mukaisesta aaltojohdinhaarasta kaaviokuvana elektronivirtoineen ohjausvälineiden ollessa toisessa toimintatilassaan, 10 Kuva 6 esittää erästä neljättä sovellusesimerkkiä keksinnön mukaisesta aaltojohdinhaarasta kaaviokuvana elektronivirtoineen ohjausvälineiden ollessa toisessa toimintatilassaan,

Kuva 7 esittää erästä sovellusesimerkkiä keksinnön 15 mukaisten ohjausvälineiden rakenteesta poik kileikkauksena sivulta tarkasteltuna ja Kuva 8 esittää kuvan 7 sovellusesimerkkiä yksinker taistettuna päältä päin tarkasteltuna.

20 Kuvissa 1 - 6 on esitetään eräitä esimerkkejä keksinnön mukaisista järjestelyistä elektronivirran E kanavoimiseksi kvantti-aalto j ohdinhaarassa 20 kaaviokuvana. Tarkastelusuunnan voidaan sanoa olevan näissä ylhäältä päin nähtynä. On huomattava, että järjestelyn ohella keksintö koskee myös vastaavaa menetelmää 25 elektronivirran E kanavoimiseksi aaltojohdinhaarassa 20.

δ ^ Kuvassa 1 esitetään yksinkertaistettuna järjestelyn peruselemen- sj- ? tit. Pääosinaan järjestelyyn kuuluu haarassa 20 yhtymään sovite- tut ainakin yksi pääasiallisen suoraviivainen tulokanava 11, x £ 30 ainakin kaksi pääasiallisen suoraviivaista lähtökanavaa 12, 13 σ> ja ohjausvälineet 14 elektronivirran E kanavoimiseksi kvantti- c\j ίο aaltojohtimien 11 - 13 välillä hallitulla tavalla. Yleisemmin oo § voidaan puhua myös tulo- ja lähtökanavistosta 11 - 13. Puolijoh-

CVJ

tavat aaltojohtimet 11 - 13 voivat olla kaikki leveydeltään a 35 toisiaan vastaavia. Eräitä esimerkkejä kanavien 11 - 13 perus-poikkileikkauksista voidaan mainita neliömäinen (a*a), suorakul- 5 miomainen (a*b) ja vaikkapa kulmistaan pyöristetty kanava. Poikkileikkaus ei ole tarkoitettu rajoittamaan keksinnön sovellettavuutta .

5 Kuvassa 2 esitetään elektronivirran E kulkua aaltojohtimissa 11 - 13. Yleisellä tasolla voidaan puhua haaraan 20 ainakin yhdellä tai jopa useammalla väylällä tuotavasta elektronivirrasta E. Elektronivirran E johtamiseksi haarasta 20 eteenpäin aaltojoh-dinjärjestelmässä tehdään päätös/valinta ainakin kahden tai jopa 10 useamman vaihtoehtoisen väylän 12, 13 väliltä. Haaraan 20 tuotavaa elektronivirtaa E kuvataan paksulla katkoviivanuolella, päävirrasta E sironneita / heijastuneita elektronivirtoja E2, E3 ohuilla yhtenäisillä nuolilla ja varsinaista mielenkiinnon kohteena olevaa ja haluttua elektronivirtaa paksulla yhtenäisel-15 lä nuolella E2.

Keksinnön mukaiseen järjestelyyn kuuluu myös jo edellä mainitut ohjausvälineet 14. Niillä haaraan 20 ainakin yhdellä tulo-kanavalla 11 tuotu pääelektronivirta E3 kanavoidaan valittuun 20 lähtökanavaan 12, 13. Ohjausvälineet 14 on keksinnössä nyt yllättävällä tavalla lähtökanavassa 12, josta käsin elektronivirran E3 kanavointia haluttuun lähtökanavaan 12, 13 nyt siis hallitaan.

25 Seuraavassa lähtökanavia 12, 13 nimitetään ensimmäiseksi lähtö- ^ kanavaksi 12 ja toiseksi lähtökanavaksi 13. Erään sovellusmuodon o mukaan ohjausvälineet 14 voivat muodostua välineis- •sj- ? tä/elementeistä 15, joiden toimintaperiaate perustuu sähköiseen ^ vuorovaikutukseen. Esimerkiksi tällaisilla välineillä voidaan x £ 30 muuttaa esimerkiksi ensimmäisen lähtökanavan 12 tehollista cd geometriaa elektronivirran E kanavoimiseksi toiseen, ensimmäi-

CVJ

S seen kanavaan 12 nähden vastakkaiseen lähtökanavaan 13. Kuvan 2 oo § mukaisessa tilanteessa kytkin 14 on ensimmäisessä toimintatilas-

CVJ

saan. Tällöin se voi olla sähköisesti passiivinen (V = 0), 35 jolloin sillä ei ole vaikutusta kanavoitavaksi tarkoitettuun elektronivirtaan E3. Tämän seurauksena elektronivirta E3 pääsee 6 vapaasti kytkimen 14 ohi ja siten se kanavoituu suurella todennäköisyydellä kanavaan 12 ilman siihen kohdistettavaa vuorovaikutusta. Elektroniaallon heijastumistodennäköisyys takaisin sisäänmenokanavaan 11 samoin kuin myös sen etenemistodennäköi-5 syys toiseen ulostulokanavaan 13 on huomattavasti pienempi.

Yleisellä tasolla voidaan puhua ohjausvälineistä 14, jotka on sovitettu muuttamaan lähtökanavan 12 geometriaa elektronivirran E kanavoimiseksi haluttuun lähtökanavaan 12, 13. Tällöin elekt-10 ronivirta E kanavoituu kulloinkin pääasiallisen oleellisesti vain yhteen lähtökanavaan (tai sen jälkeiseen toiminnalliseen kohteeseen, koska elektronivirta E kanavoituu joka tapauksessa aluksi tulokanavasta 11 ohjausvälineillä 14 varustettuun lähtö-kanavaan 12), jolloin toinen lähtökanavista (tai sitä seuraavis-15 ta toiminnallisesta kohteesta) on elektronivirraton. Toisin sanoen, järjestelyssä on kyse kvanttikytkimestä, jossa elekt-ronivirralle E valitaan haluttu lähtökanava eli pääte.

Erään sovellusmuodon mukaan ohjausväline voi olla sähköiseen 20 vuorovaikutukseen perustuva porttielementti (gate element), hallintaelektrodi 15. Porttielementin 15 tekninen toteutustapa on alan ammattimiehelle siinä määrin ilmeistä, että siihen ei tässä tarkemmin paneuduta. Eräs esimerkki esitetään kuvassa 7, johon palataan tarkemmin tuonnempana.

25 ^ Erään sovellusmuodon mukaan kanavat 11 - 13 voivat yhtyä toi- o ^ siinsa aaltojohdinhaarassa 20 siten, että pääosa tulokanavan 11 sj- ? elektronivirrasta E kanavoituu elektronivirtana Ex suoraan kytkimellä 14 varustettuun lähtökanavaan 12. Koska tulo- ja x £ 30 lähtökanavat 11 - 13 on kytketty toisiinsa sopivaan asetelmaan, g) tapahtuu pääelektronivirran E ohjautuminen lähtökanavaan 12 ίο spontaanisti eli ilman ohjaavaa vuorovaikutusta itse haara- oo § alueella 20', joka juuri on tunnusomaista tekniikan tason mukai-

CM

sille ratkaisuille. Tämä tarkoittaa sitä, että itse varsinainen 35 haarauma-alue 20' (kuvassa 1 katkoviivaneliöity alue), joka voidaan ymmärtää kanaville 11 - 13 yhteisenä, ei ole tarvetta 7 järjestää mitään ohjaavaa välineistöä elektronivirran E3 ohjaamiseksi haluttuun kanavaan 12, 13. Haarauma-alue 20' voi olla jopa täysin vapaa sähköiseen vuorovaikutukseen perustuvista ohjausvälineistä, joilla voitaisiin vaikuttaa / valita elekt-5 ronivirralle Ex haluttu ulostulokanava.

Keksinnön mukainen järjestely monipuolistaa aaltojohdinjärjestelmien toteutusmahdollisuuksia. Nyt aaltojohtimien 11 - 13 kytkeytymisgeometria voi olla nyt vapaampi suhteessa toisiinsa. 10 Myös kytkimen 20 erotuskyky paranee. Elektronivirtojen kanavoi-tumistodennäköisyydet ovat selvästi toisistaan erotuskykyisempiä kuin esimerkiksi tekniikan tason mukaisissa Y-haara- / kam-mioratkaisuissa. Niissä molemmat lähtökanavat ovat suoraviivaisia jatkeita tulokanavalle. Tällöin elektronivirran ohjaaminen 15 oikeaan / haluttuun lähtökanavaan on huomattavasti haasteelli-sempaa kuin keksinnön mukaisessa järjestelyssä.

Eräs esimerkillinen tapa järjestää kanavien 11 - 13 kytkeytymisgeometria on muodostaa aaltojohdinhaara 20 siten, että lähtö-20 kanavien 12, 13 välinen kulma op on suurempi kuin tulokanavan 11 ja ensimmäisen lähtökanavan 12 välinen kulma op ja tulokanavan 11 ja toisen lähtökanavan 13 välinen kulma a3. Yleensäkin kanavien 11 - 13 keskinäisen geometrian, kuten esimerkiksi niiden välisen kohtaamiskulman (erityisesti kulman a3 säätämisellä) 25 voidaan vaikuttaa aaltojohdinkytkimen tarkoituksenmukaiseen ^ toimintaan. Kulman a3 muuttamisella on todettu pilot-vaiheen o simulaatioissa olevan vaikutusta elektronivirran kanavoitumisto- ? dennäköisyyksiin.

cvj x ^ 30 Kuvien 1-6 sovellusmuodoissa lähtökanavien 12, 13 välinen oy kulma op on jokseenkin 180° eli ne ovat jokseenkin täydessä c\i ίο kulmassa toisiinsa nähden. Tällöin lähtökanavien 12, 13 muodos- oo 0 taa periaatteessa suoran "putken" tai johtimen. Tämä on yllättä en vää, sillä tekniikan tason mukaisissa Y-haaroissa lähtökanavat 35 ovat olleet Y-haaran kaksi ylimmäistä sakaraa, joiden välinen kulma on ollut hyvin pieni, itse asiassa kaikkein pienin muihin 8 kanavien välisiin kulmiin verrattuna. Siten keksintö kääntää päälaelleen haaraan 20 järjestettyjen kanavien 11 - 13 yhtymis-kulmien asettelun.

5 Vastaavasti toisen lähtökanavan 13 ja tulokanavan 11 välinen kulma a3 voi olla välillä 6° - 90°, erityisemmin 15° - 45°, kuten esimerkiksi 20°. Vastaavasti ensimmäisen lähtökanavan 12 ja tulokanavan 11 välinen kulma a2 voi tällöin olla välillä [(180° -6°), (180° - 90°)], erityisemmin [(180° - 15°), (180° - 45°)], 10 kuten esimerkiksi 160°. Tästä havaitaan, että kulma a2 voi vaihdella suurellakin välillä. Kuitenkin, pilot-vaiheen simulaatioissa on havaittu, että liian pieni a3 saattaa aiheuttaa ongelmallista takaisinheijastumista sisäänmenokanavaan 11. Myös pienillä a3 arvoilla saattaa ilmetä aaltojen diffraktiota kana-15 valiitoksen 20 suuresta aukosta johtuen.

Kuvassa 3 esitetään keksinnön perusperiaatetta elektronivirran E kanavoinnin suorittamiseksi. Ensimmäisessä lähtökanavassa suoritettavasta elektronivirran E3 kanavoinnin hallinnassa on 20 itse asiassa kyse lähtökanavan "virtuaalisesta", tehollisesta kaventamisesta, joka portin 15 aikaan saamalla sähköisellä vuorovaikutuksella saadaan aikaan. Porttielementti 15 muodostuu vastakkaisista kontrollielektrodeista tai yleensäkin kanavaa 12 ympäröivästä elektrodirakenteesta. Tällöin esimerkiksi vastak-25 kaiset elektrodit 15.1, 15.2 on voitu kytkeä esimerkiksi vastak-^ kaisiin jännitepotentiaaleihin. Säädettäessä elektrodien 15.1, 15.2 potentiaaleja V, kanavan 12 geometria, erityisemmin tehol-? linen potentiaali kanavassa 12 muuttuu. Tämän seurauksena kana- 0X1 van 12 leveys ja/tai korkeus joko kapenee peruspoikkileikkauk-

X

£ 30 sestaan tai palautuu peruspoikkileikkaukseen.

CD

CM

S Koska kuvassa 3 kanavaa 12 on portilla 15 kavennettu ("suljet- oo o tu"), heijastuu kanavaan 12 johdettu elektronivirta E3 takaisin-

CM

päin, kanavoituen haaran 20 kautta toiseen lähtökanavaan 13. 35 Tällöin elektronivirta E3 palaa takaisin haaravyöhykkeelle 20', josta se jatkaa matkaansa kanavaan 13. Tässä tapauksessa aallon 9 amplitudi kanavassa 12 on nolla. Jos portin 15 potentiaali olisi "läpäisevä" eli elektronivirran Ex heijastumalla tapahtuvaa suunnanmuutosta ei tapahtuisi, niin silloin elektronivirta E pääsisi avoimesta portista 15 kuvan 2 mukaisella tavalla läpi ja 5 kanavoituisi ensimmäiseen lähtökanavaan 12, johon se alunperin pääosiltaan ohjattiin sisäänmenokanavasta 11.

Kuten kuvasta 3 voidaan todeta, saattavat tulokanavalla 11 haaraan 20 tuodusta pääelektronivirrasta E ennen porttielement-10 tiä 15 heijastuneet ja sironneet elektronivirrat E2, E3 aiheuttaa haittaa / häiriötä kokonaissysteemin toimivuudelle (eli pää-elektronivirran E3 "signaalille"). Tätä varten aaltojohdinhaa-raan 20 on voitu järjestää yksi tai useampia rajoitinrakenteita 16 esimerkiksi ei-halutun elektronivirran E2 esimerkiksi siron-15 nasta aiheutuvan pääsyn estämiseksi toiseen lähtökanavaan 13 (ollen siis vastakkainen kanava ohjausvälineillä varustettuun kanavaan nähden) suoraan tulokanavasta 11. Rakenne 16 parantaa aaltojohdinkytkimen 20 tehokkuutta.

20 Kuvissa 4-6 esitetään eräs esimerkki tällaisesta rajoitinra-kenteesta 16, suojahilasta, "screenistä". Tässä tapauksessa se on tulokanavan 11 päässä oleva jatkeseinämä 16. Nyt sopivaan kohtaan järjestetyllä jatkeella 16, joka tässä tapauksessa ulottuu haara-alueelle 20', kavennetaan toista lähtökanavaa 13. 25 Eräs esimerkki jatkeen 16 koosta voi olla 1 = 0,5a - 0,9a, kuten ^ esimerkiksi 0,8a, jossa a on kanavien 11 - 13 leveys. Kavennuk-

O

^ sen seurauksena kuvissa 2 ja 3 esitetyt toiseen lähtökanavaan 13 sl- *? tulokanavasta 11 suoraan sironneet elektronivirrat E2 saadaan blokattua, eivätkä ne häiritse systeemin toimivuutta. Screenin g 30 16 optimaalinen paikka ja koko voidaan määrittää esimerkiksi σ> numeerisin simuloinnein ja se voi vastata elektronien virtojen

(M

ίο (current) (Jcl/JOD) maksimisuhdetta.

oo o o

CM

Keksinnön kannalta ei ole merkitystä tulokanavalla 11 haaraan 20 35 tuotavan elektronivirran E lähteellä. Periaatteessa elektronivirta E voi olla peräisin mistä tahansa lähteestä. Tällöin 10 tulokanava 11 voi olla haaraan 20 nähden vastakkaisesta päästään aaltojohdinjärjestelmän edeltävän toiminnallisen osan / kokonaisuuden yhteydessä.

5 Erään sovellusmuodon mukaan tulokanavaan 11 itseensä voi olla järjestettynä generaattori 17 elektronivirran E tuottamiseksi, kuten nyt on jokaisessa kuvien 1-6 esittämässä sovellusmuodos-sa. Tällainen generaattori 17 voi olla esimerkiksi elektroniin jektori. Elektronivirran E aiheuttavat elektronit kiihdytetään 10 jännitteellä U (0 < E < U) metallisesta kontaktista 17 puolijoh-tavaan aaltojohtimeen 11. Valitsemalla jännite U sopivasti voidaan olettaa, että kvanttiaaltojohtimessa 11 liikkuvat vain elektronit, joiden poikittainen energia on E±(l).

15 Kuten kuvista 2 ja 3 huomataan, niin pääelektronivirrasta E takaisin tulokanavaan 11 sironnut elektronivirta E3 saattaa myös aiheuttaa ongelmia kokonaissysteemin toimivuudelle. Tämä ongelma voidaan ratkaista säätämällä tulokanavalla 11 aaltojohdinhaaraan 20 johdettavan elektronivirran E energiaa Ka. Tämä erityisesti 20 silloin, kun kanavassa 11 on generaattori 17. Energiaikkunaksi voidaan asettaa Ka = [3.5, 7] ja vielä erityisemmin Ka = [4.3, 6] . Nyt K = elektronin taajuus ja a = kanavan 11 - 13 leveys, joka on tekniikan tasosta sinällään tunnettu tapa ilmaista elektronien energiaa. Elektronivirran E energian hallinnalla 25 voidaan osaltaan eliminoida elektronivirran E tulokanavaan 11 ^ takaisin siroamista (elektronivirtaa E·,) . Simuloinneissa on , havaittu, että esteeseen 16 liittyvien todennäköisyyksien TclL(E) ? ja TopL (E) suhde on verrattain suuri tapauksessa, jossa elektro- ^ nien energia Ka on juuri välillä 4,3 < Ka < 6.

ί 30 05 Kuvassa 5 esitetään sovellusmuoto, jossa portti 15 on jälleen

c\j J r J

in "kiinni" eli toisessa toimintatilassaan ohjaten elektronivirran oo o Ex kanavaan 13. Tässä sovellusmuodossa tulokanavan 11 geometri cal aan kuuluu ainakin yksi paikallinen poikkeuma sen peruspoikki-35 leikkaukseen nähden. Nyt poikkeuma on paikallinen kavennus 18 kanavan 11 poikkileikkauksessa. Kavennuksella aaltojohdinhaaraan 11 20 tuotavien elektroniaaltojen E energia Ka saadaan sovitettua halutunlaiseksi, kuten esimerkiksi Ka > 4,3. Kavennuksen 18 ohi pääsevät vain elektroniaallot, joiden energia täyttää tietyn kavennuksen määrittelemän ehdon. Samanaikaisesti kiihdytyspoten-5 tiaali voidaan asettaa siten, että sillä aikaan saatavien elektronien energia Ka on < 5,5. Tällöin elektroniaaltojen virtojen suhde Jcl/Jop on noin 4.

Kuvassa 6 esitetään vielä eräs sovellusmuoto keksinnöstä. Siinä 10 esitetään eräs toinen tapa energialtaan sopivien "monoenergis-ten" elektroniaaltojen aikaan saamiseksi. Nyt tulokanavassa 11 on kahdesta paikallisesta kavennuksesta 18.1, 18.2 muodostettu kvanttiresonaattori 19 tai vastaava. Yleisemmin voidaan puhua myös elektronimonokromaattorista. Resonaattori 19 on viritetty 15 asetetun mukaiselle energialle Ka (taajuudelle) siten, että elektronien kulkeutumistodennäköisyyksien suhde (TclL(E) / TopL(E-)) on maksimaalinen. Kuvan 4 mukaiselle geometrialle energian Ka optimiarvot ovat noin 4,8 ympäristössä. Tässä tapauksessa virtojen (Jci/Jop) suhde voi nousta arvoon 7,5 - 9.

20

Resonaattorin 19 eräänä tarkoituksena on nyt maksimoida elekt-roniaaltojen E virtojen suhde (Jci/Jop) toiseen lähtökanavaan 13. Ensimmäinen virta-arvo Jcl vastaa tilannetta, jossa ensimmäisen lähtökanavan 12 geometria on ohjausvälineillä 14 rajoitettua. 25 Toinen virta-arvo Jop vastaa tilannetta, jossa ensimmäisen lähtö-^ kanavan 12 geometria on ohjausvälineillä 14 rajoittamatonta eli

O

^ elektroneilla E2 on vapaa pääsy kanavaan 12 portin 15 läpi.

sj-

Virrat Jcl, Jop voidaan määritellä lähellä absoluuttista nolla-c\J lämpötilaa olevaksi: ί 30 S Jop = \''g(e)T (E)dE, Jd= f}(e)T (E)dE, LO y J0 op J0 cl 00

O

O

CM

missä g on sisäänmenokanavaan 11 injektoitujen elektronien tiheys jakauma yli energiatasojen ja TopL(E) ja TclL(E) ovat vastaavat kulkeutumistodennäköisyydet elektroneille vasempaan 12 ulosmenokanavaan 13 avoimella ja portilla 15 suljetulla oikealla ulosmenokanavalla 12. Eräs esimerkki tällaisen resonaattorin 19 toteuttamiseksi on esitetty viitteessä [3].

5 Kuvassa 7 esitetään eräs sovellusesimerkki keksinnön mukaisen kytkimen 14 rakenteesta poikkileikkauksena sivulta tarkasteltuna ja kuvassa 8 kuvassa 7 esitettyä sovellusesimerkkiä yksinkertaistettuna päältä päin nähtynä. Kytkin 14 voidaan tuottaa esimerkiksi jollain modulaatioseostus (modulation doping) stan-10 darditekniikalla. Tällainen tekniikka on sinällään tunnettu esimerkiksi high-electron mobility transistorien valmistuksesta. Keksinnön mukainen järjestely on nanomittakaavassa toteutettava kytkin. Eräs esimerkki aaltojohtojen 11 - 13 dimensioista a, b ovat esimerkiksi 5 - 500 nm, kuten esimerkiksi 10 - 300 nm ja 15 vielä erityisemmin 10 - 100 nm.

Nyt metallinen porttielektrodi 15 on muodostettu eristyskerroksen 21 päälle, joka erottaa sen johteesta 12. Eristyskerros 21 on muodostettu paikallisesti puolijohdeaaltojohtimen 12 ulkopin-20 nalle. Aaltojohdin 12 on dielektrisellä alustalla 22. Parametrin b hallintaa suoritetaan metallisen porttielektrodin 15 jännitteellä. Sopivalla jännitteellä johteen 12 raja vetää puolijohteen 12 elektroneja puoleensa ja sen seurauksena johteen 12 tehollinen vahvuus pienenee. Ohjausperiaate vastaa pitkälti 25 kenttävaikutus transistoreissa (field-effect transistors) .

δ ^ Kuvassa 8 tulokanavan 11 päässä on elektroni-injektori 17.

sl- 9 Lähtökanavien 12, 13 päissä on nyt elektroni kollektorit 12', <m 13', joilla havaitaan kanavaan 12, 13 ohjautuneet elektroniaal- | 30 lot.

co

CM

£o Keksinnöllä on useita teollisia sovelluskohteita. Eräinä ei- oo § rajoittavina esimerkkeinä voidaan mainita muun muassa kvantti-

CM

tiedonsiirto ja kvanttilaskenta. Erityisemmin keksinnön mukainen 35 järjestely voidaan sovittaa osaksi "key scheme"- tai liipaisu järjestelmää (trigger system). Yleisemmällä tasolla voidaan 13 puhua myös loogisten järjestelmien toteuttamisesta. Toisin sanoen, keksintö voi olla osana suurempaa aaltojohdin kokonaisjärjestelmää tai se voi yksinäänkin muodostaa toiminnallisen yksikön. Yhtä lailla, keksintö koskee myös menetelmää elekt-5 ronivirran E kanavoimiseksi aaltojohdinjärjestelmässä. Edellä kuvatuista sovellusmuodoista on johdettavissa menetelmän muodostavat ilmiöt ja periaatteet.

Pienestä koostaan johtuen keksinnön mukainen järjestely on 10 erityisen nopeatoiminen. Erityisesti siinä esiintyvien elekt-ronitörmäyksien määrä on mitätöntä verrattuna esimerkiksi tekniikan tason mukaisiin ratkaisuihin. Järjestelyn geometriasta johtuen ei myöskään ohmista lämpösäteilyä esiinny elektronien vaellusalueella. Lisäksi useita aaltojohtimia voi olla hyvin 15 lähellä toisiaan.

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja siihen liittyvät kuvat on tarkoitettu ainoastaan havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Keksintöä ei siten ole rajattu pelkästään edellä 20 esitettyihin tai patenttivaatimuksissa määriteltyihin suoritusmuotoihin, vaan alan ammattimiehelle tulevat olemaan ilmeisiä monet erilaiset keksinnön variaatiot ja muunnokset, jotka ovat mahdollisia oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

25 ^ VIITTEET: o

(M

? [1] www.eng.fsu.edu/~mpf/CF05/talks/Forsberg.ppt, ^ [2] www.pdc.kth.se/info/research/tpalm/QID-simulations.html £ 30 ja 05 [3] L.M. Baskin, P. Neittaanmäki, B.A. Plamenevskii, A.A.

CM

ίο Pozharskii, "On electron transport in 3D quantum wave- oo o guides of variable cross-sections" Nanotechnology, v.17

CM

(2006), p.p S19 - S22.

Claims (12)

1. Järjestely aaltojohdinhaarassa (20) elektronivirran (E) kanavoimiseksi, jossa haarassa (20) on sovitettu yhtymään tulo-5 kanavisto (11) ja ainakin kaksi lähtökanavaa (12, 13) ja joka elektronivirta (E) on sovitettu kanavoitavaksi tulokanavistosta (11) haluttuun lähtökanavaan (12, 13) ohjausvälineillä (14), jotka on sovitettu toiseen lähtökanavaan (12), tunnettu siitä, että ohjausvälineet (14) muodostuu toiminnaltaan sähköiseen 10 vuorovaikutukseen perustuvista välineistä (15), joilla on sovitettu muutettavaksi ohjausvälineillä (14) varustetun lähtö-kanavan (12) geometriaa elektronivirran (E) kanavoimiseksi vastakkaiseen lähtökanavaan (12, 13).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, jossa tulokanavis-toon kuuluu ainakin yksi tulokanava (11), tunnettu siitä, että tulo- ja lähtökanavat (11-13) on sovitettu yhtymään toisiinsa siten, että pääosa tulokanavan (11) elektronivirrasta (E) on sovitettu kanavoitumaan sanotuilla ohjausvälineillä (14) varus-20 tettuun lähtökanavaan (12).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ohjausväline (14) on sähköiseen vuorovaikutukseen perustuva porttielementti (gate element) (15). 25

^ 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen järjestely, tunnet- ^ tu siitä, että lähtökanavien (12, 13) välinen kulma (αη) on ? suurempi kuin tulokanavan (11) ja kunkin lähtökanavan (12, 13) väliset kulmat (a2, a3) . I 30 σ>

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, S että sanotuilla ohjausvälineillä (14) varustettuun lähtökanavaan oo o (12) nähden vastakkaisen lähtökanavan (13) ja tulokanavan (11) (M välinen kulma (oi3) on 6° - 90°. 35

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aaltojohdinhaaraan (20) on sovitettu rajoitinra-kenne (16) elektronivirran (E2) pääsyn estämiseksi sanotuilla ohjausvälineillä (14) varustettuun lähtökanavaan (12) nähden 5 vastakkaiseen lähtökanavaan (13) suoraan tulokanavasta (11).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että rajoitinrakenne on tulokanavan (11) päähän sovitettu jatke (16), joka on sovitettu kaventamaan sanotuilla ohjausvälineillä 10 (14) varustettuun lähtökanavaan (12) nähden vastakkaista lähtö-kanavaa (13) .

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tulokanavaan (11) on sovitettu lähde (17) elekt- 15 ronivirran (E) tuottamiseksi.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tulokanavan (11) geometriaan on järjestetty kaksi kavennusta (18) aaltojohdinhaaraan (20) johdettavan elekt- 20 ronivirran (E) energian sovittamiseksi halutunlaiseksi.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että tulokanavaan (11) on sovitettu elektronimonok-romaattori (19) elektronivirran (E) energian asettamiseksi 25 siten, että elektroniaaltojen (E) virtojen suhde (Jcl/J ) vas- i- takkaiseen lähtökanavaan (13) on sovitettu saamaan maksimiarvon- o , sa, jossa Jcl on virta sanotuilla ohjausvälineillä (14) varuste et 9 tun lähtökanavan (12) geometrian ollessa ohjausvälineillä (14) ^ rajoitettua ja Jop on virta, jossa sanotuilla ohjausvälineillä x £ 30 (14) varustetun lähtökanavan (12) geometria on ohjausvälineillä σ> (14) rajoittamatonta. C\l CD LO 00

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen järjestely, CM tunnettu siitä, että järjestely on sovitettu osaksi key scheme-35 tai liipaisujärjestelmää (trigger system) .

12. Menetelmä elektronivirran (E) kanavoimiseksi aaltojohdinhaa-rassa (20), jossa yhtyy ainakin yhdestä tulokanavasta muodostuva tulokanavisto (11) ja ainakin kahdesta lähtökanavasta (12, 13) muodostuva lähtökanavisto ja jossa menetelmässä 5 - elektronivirta (E) tuodaan haaraan (20) tulokanavis- tolla (11) ja - elektronivirta (E) kanavoidaan tulokanavistosta (11) lähtökanavistoon (12, 13) ja jota elektronivirran (E) kanavointia hallitaan ohjausvälineillä (14), jotka on 10 sovitettu toiseen lähtökanavaan (12), tunnettu siitä, että ohjausvälineet (14) muodostuu toiminnaltaan sähköiseen vuorovaikutukseen perustuvista välineistä (15), joilla muutetaan ohjausvälineillä (14) varustetun lähtökanavan (12) geometriaa elektronivirran (E) kanavoimiseksi vastakkaiseen 15 lähtökanavaan (12, 13). δ CVJ o cm X cc CL CD CM CD LO 00 O O CM