CN110247288B - 常温半导体脉泽及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种常温半导体脉泽及其应用，属于量子力学、半导体物理、电子学技术领域。该常温半导体脉泽通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁到能级区域内的指定能级，对外辐射电磁波。本发明有效解决了现有脉泽器件对工作环境要求严苛、体积庞大、工艺复杂等难题，通过采用通用半导体工艺条件制作的含异质结的晶体管实现常温脉泽，结构简单，能在常温环境工作，且无需激光作为泵浦即能工作。
Description
技术领域
本发明属于量子力学、半导体物理、电子学技术领域，具体涉及一种利用含异质结的晶体管能级特性实现脉泽的技术。
背景技术
篝火、阳光及宇宙背景辐射等是我们常见的自发辐射，但要获得有规律的相干辐射(或称受激辐射)则必须依靠各种技术手段才能实现。对于半导体激光器，人们通常利用半导体材料中电子在导带和价带间的跃迁(半导体材料的禁带宽度通常为1-2eV)来实现发光。在微波频段，由于频率低，以频率f＝1GHz的微波为例，由普朗克公式，其对应能量仅为E1GHz＝h·f＝4.1×10-6eV，其中h为普朗克常数，不可能像激光器一样使电子跨越禁带从而实现受激辐射。在微波频段要实现受激辐射，现有的方法主要是利用电子在原子或分子的固有离散能级间的跃迁辐射来实现。据我们所知，目前还无法在常温条件下利用成熟、便利的半导体来实现脉泽(MASER)。
目前，世界上尚无基于晶体管能级特性，采用微波电磁能量作为泵浦，实现脉泽的电路和方法。脉泽通常应用于原子钟，如氢原子钟、铷原子钟、铯原子钟等，但由于脉泽器件的体积和重量较大，基于此的原子钟体积和重量也都非常大，且难以小型化。目前较为热门的相干布居囚禁原子钟虽然在结构上有所简化、体积有所减小，但仍然需要激光的参与才能实现微波输出【相干布居囚禁原子钟理论与实验研究，王鑫，博士论文，2015】。也有采用并五苯掺杂的三联苯作为增益媒质，黄光脉冲染料激光作为泵浦源，利用TE01δ作为谐振模式的常温微波激射器，如图1所示【room temperature solid state maser,MarkOxborrow,Nature,Aug.2012.】。但是，该方法所使用的媒质加工工艺非通用，搭建装置所需的部件较多，结构较为复杂，且只能产生脉冲形式的微波。
2018年3月报道的常温连续波脉泽，如图2所示【Continuous wave roomtemperature diamond maser,Jonathan D.Breeze,Nature，Mar.2018】，通过将具有高珀塞尔因子的腔与金刚石中NV缺陷过渡的窄线宽相结合，采用输入功率为500mW、波长为532nm激光作为泵浦，产生了频率为9.2GHz、输出功率不到0.8pw的微波信号，效率为1.6×10-9。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种常温半导体脉泽及其实现方法和应用，利用含异质结的晶体管的能级区域，泵浦微波使极化激元被激发到高能级，被激发的极化激元向下跃迁到该能级区域内的指定能级，对外辐射电磁波。
本发明采用的技术方案如下：
一种常温半导体脉泽的实现方法，其特征在于，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁到能级区域内的指定能级，对外辐射电磁波。
进一步地，所述能级区域内的指定能级采用谐振网络进行调节，以满足实际应用对辐射电磁波的需求。
进一步地，被激发到高能级的极化激元先跃迁至指定能级，然后从指定能级跃迁到基态能级。其中，被激发到高能级的极化激元跃迁至指定能级时，辐射产生微波的频率根据输入泵浦微波频率与谐振网络的谐振频率确定；从指定能级跃迁到基态能级时，辐射产生的频率等于谐振网络的谐振频率。
一种常温半导体脉泽，包括第一匹配网络、第二匹配网络、含异质结的晶体管和谐振网络，所述第一匹配网络输出端与含异质结的晶体管漏极相连，第二匹配网络输入端与含异质结的晶体管源极相连，所述含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地；所述第一匹配网络输入端馈入泵浦微波。
进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(FET)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
本发明提供的一种常温半导体脉泽，其工作原理为：
泵浦微波通过第一匹配网络馈入含异质结的晶体管，将含异质结的晶体管能级中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁到能级区域内的指定能级，对外辐射电磁波，然后再从指定能级跃迁到基态能级，对外辐射电磁波。
一种基于常温半导体脉泽的无源混频器的实现方法，其特征在于，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，泵浦微波提供本振频率fp；当输入信号频率fr后，被激发到高能级的极化激元根据输入的信号频率向下跃迁至能级区域内的指定能级，输出频率fa，完成信号混频。
其中，被激发到高能级的极化激元向下跃迁至能级区域内的指定能级，输出频率fa，该指定能级的位置由输入的信号频率fr确定；由指定能级向下跃迁至基态能级时，输出频率fr。
其中，被激发到高能级的极化激元先向下跃迁至指定能级，然后从该指定能级再次向下跃迁至基态能级。当极化激元由高能级向下跃迁时，极化激元释放能量，带动更多的极化激元向下跃迁，引发连锁反应，该微观现象在宏观上的表现为，通过该方法实现的混频器具有增益，且该增益与泵浦微波的功率有关。
一种基于常温半导体脉泽的无源混频器，如图5所示，包括LO滤波器及其匹配网络、带通滤波器及其匹配网络、含异质结的晶体管、低通滤波器及其匹配网络，其中，所述LO滤波器及其匹配网络的输出端与含异质结的晶体管漏极相连，低通滤波器及其匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，所述含异质结的晶体管栅极连接带通滤波器及其匹配网络。
进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(FET)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
本发明提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器，泵浦微波输入本振频率fp，通过LO滤波器及其匹配网络输入含异质结的晶体管，将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级；输入信号频率fr通过带通滤波器及其匹配网络馈入含异质结的晶体管，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁至能级区域内的指定能级，输出频率fa，完成信号混频。
本发明还提供了上述常温半导体脉泽作为射频微波振荡器的应用，泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，根据输入的泵浦微波功率大小控制振荡器中起反馈作用的谐振网络的谐振频率，使得被激发到高能级的极化激元先跃迁至能级区域内的指定能级，再跃迁到基态能级，从而实现稳定的振荡输出。
其中，所述指定能级由谐振网络的谐振频率调节；所述谐振网络包含晶体管内部的结电容，输入的泵浦微波的功率通过改变结电容的大小，来控制谐振网络的谐振频率。
进一步地，被激发到高能级的极化激元先跃迁至能级区域内的指定能级，辐射产生的振荡频率根据输入的泵浦微波频率与谐振频率确定；从指定能级跃迁到基态能级时，辐射产生的振荡频率为谐振网络的谐振频率。
进一步地，输入的泵浦微波的功率存在一个阈值，即当泵浦微波功率高于或低于某一值时，才会有振荡。
进一步地，所述射频微波振荡器的工作原理为：不同功率的泵浦微波会改变谐振网络的谐振频率，根据公式p·t＝h·fp·n，其中n代表受激发跃迁的极化激元数目，t为时间，h为普朗克常数，在泵浦微波频率fp不变的前提下，功率p变大，导致其电容减少，根据谐振网络的谐振频率的关系电容的减少会导致谐振频率的升高。
本发明还提供了一种基于常温半导体脉泽的稳频方法，其特征在于，馈入泵浦微波功率为含异质结的晶体管的稳频范围中的一个定值，即可得到稳定的振荡输出。
其中，上述稳频原理为：通过传输线或外接天线接收的泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元跃迁至能级区域内的指定能级，产生稳定的振荡输出。
其中，输入的泵浦微波频率要足够大，以使泵浦微波的能量足以将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级。
其中，输入的泵浦微波的功率为一定值时，泵浦频率的高低可以控制振荡输出频率的高低，即振荡器有一定的调谐带宽。如图8所示，当输入的泵浦微波的功率为稳频范围中的一定值时，振荡器的振荡输出能获得最好的频率稳定度和相位噪声性能，即能实现稳频。
本发明还提供了一种基于常温半导体脉泽的稳频方法在时钟分发中的应用。
进一步地，通过接收天线馈入功率为含异质结的晶体管稳频范围中一定值的泵浦微波，得到稳定的时钟信号；将该稳定的时钟信号通过发射天线发射到各接收器，即可实现时钟无线分发。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种常温半导体脉泽及其实现方法，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，采用谐振网络在其谐振频率处提供指定能级的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁到指定能级，从而实现稳定的微波辐射。本发明有效解决了现有脉泽器件对工作环境要求严苛、体积庞大、工艺复杂等难题，通过采用通用半导体工艺条件制作的含异质结的晶体管实现常温脉泽，结构简单，能在常温环境工作，且门限功率仅为22mW，效率高达5％。
2、本发明提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，泵浦微波提供本振频率fp；当输入信号频率fr后，被激发到高能级的极化激元根据输入的信号频率向下跃迁至能级区域内的指定能级，输出频率fa，完成信号混频。该混频器有效解决了现有无源混频器变频损耗高、所需本振功率大的缺点，且得到的混频器具有一定的增益。
3、本发明基于常温半导体脉泽的射频微波振荡器，结构简单，使用方便，无需加入直流偏置和控制电压，只需通过传输线或外接天线接收泵浦微波即能工作。
附图说明
图1为背景技术中提到的常温微波激射器的示意图；
图2为背景技术中提到的常温连续波脉泽的示意图；
图3为本发明提供的一种常温半导体脉泽的示意图；
图4为本发明提供的一种常温半导体脉泽的工作原理图；
图5为本发明实施例1提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器的结构示意图；
图6为本发明实施例1提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器的测试结果图；
图7为本发明实施例2提供的一种基于常温半导体脉泽的射频微波振荡器在输入频率为578.65MHz时，其输入功率和输出振荡频率fr关系图；
图8为本发明实施例3提供的基于常温半导体脉泽的稳频方法中，含异质结的晶体管的fr谱密度随fp功率的变化曲线；
图9为本发明实施例4提供的基于常温半导体脉泽的时针分发中，输出相位噪声图；
图10为本发明实施例4提供的基于常温半导体脉泽的时针分发中，输入的泵浦微波fp频率和输出信号fr的频率关系曲线。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图3所示，为本发明提供的一种常温半导体脉泽的示意图；包括：第一匹配网络11、第二匹配网络12、含异质结的晶体管10和谐振网络，所述第一匹配网络11输出端与含异质结的晶体管10漏极相连，第二匹配网络输入端12与含异质结的晶体管10源极相连，所述含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地；所述第一匹配网络输入端馈入泵浦微波。
其中，第一匹配网络11的目的是实现输入端阻抗到含异质结的晶体管漏极阻抗的匹配，能将泵浦微波以更高效率馈入含异质结的晶体管10；第二匹配网络12的目的是实现含异质结的晶体管源极阻抗到输出端口的阻抗匹配，能将输出的微波信号顺利的传输出去。
如图4所示，为本发明提供的一种常温半导体脉泽的工作原理图。本发明脉泽器件工作时，基态能级E0的极化激元被激励到高能级Eh＝E0+h·fp(h为普朗克常数，fp为泵浦频率)；当Eh能级上不稳定极化激元向下跃迁到更低能级上时，辐射能量。为了形成稳定的能量辐射，采用谐振网络，在其谐振频率fr处提供指定能级的能量通路，如图3所示，以其谐振回路提供跃迁条件。这样，激发的极化激元将在能级Er＝Eh-h·fr＝E0+h·(fp-fr)上达到最大跃迁速率。因此，极化激元首先从Eh跃迁到Er，辐射产生频率fa＝fp-fr，然后从Er跃迁到E0，辐射产生频率fr。
本发明提供的一种常温半导体脉泽，具有结构简单、常温条件且无需激光作为泵浦即能工作的特点，可广泛应用于医学、安全、传感、量子技术和电子学等领域。
实施例1
本实施例提供了一种基于本发明常温半导体脉泽的无源混频器，如图5所示，包括LO滤波器及其匹配网络A、带通滤波器及其匹配网络D、含异质结的晶体管B、低通滤波器及其匹配网络C，其中，所述LO滤波器及其匹配网络的输出端与含异质结的晶体管的漏极相连，低通滤波器及其匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，所述含异质结的晶体管栅极连接带通滤波器及其匹配网络；所述LO滤波器及其匹配网络A的输入端馈入泵浦微波，带通滤波器及其匹配网络D的输入端输入信号频率fr。
其中，LO滤波器保障fp信号通过，fr和fa阻隔；带通滤波器保障fr通过，fp和fa阻隔；低通滤波器保障fa通过，fp阻隔。
其中，LO滤波器及其匹配网络A的目的是实现本振端口LO与信号输入端口的隔离，防止信号泄漏出去，同时保证端口之间的匹配。带通滤波器及其匹配网络D的目的是保证信号输入端口的匹配并减小回波损耗，同时对输入的信号进行滤波处理，过滤掉无用的干扰。低通滤波器及其匹配网络C的目的是实现该端口的匹配，同时过滤掉输出频谱中的无用项，保留所需项。
本实施例常温半导体微波无源混频器工作原理如图4所示，混频器工作时，含异质结的晶体管受泵浦微波fp激励，极化激元由初始能级E0跃迁至激发态能级Eh，该频率可视为混频器本振频率。此时，输入信号fr，激发态极化激元根据输入的信号频率由激发态能级Eh向下跃迁至较低能级Er，输出频率fa＝fp-fr，完成信号混频。
图6为本发明实施例1提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器的测试结果图；由图6可知，本发明可以实现无源混频。
实施例1提供的一种基于常温半导体脉泽的无源混频器，具有结构简单、所需本振功率小、具有变频增益等优点，有效解决了传统无源混频器变频损耗高、所需本振功率大等问题，可广泛应用于通信、传感、量子技术和电子学等领域。
实施例2
本实施例提供了一种基于本发明常温半导体脉泽的射频微波振荡器，其结构与半导体脉泽的结构相同(如图3)。其工作原理为：将输入的泵浦微波频率fp作为偏置信号，输入的泵浦微波功率作为控制信号，通过泵浦微波被激发到高能级的含异质结的晶体管中的极化激元，经谐振网络在其谐振频率处提供的反馈，先跃迁至能级区域内的指定能级，再跃迁到基态能级，从而实现稳定的振荡输出。例如在确定泵浦频率为578.65MHz的前提下，通过改变输入的泵浦微波的功率，可以改变输出的振荡频率fr，如图7所示。
本实施例射频微波振荡器结构简单，使用方便，无需加入直流偏置和控制电压，只需外接天线或传输线接收泵浦微波即能工作，可广泛应用于医学、安全、传感、量子技术和电子学等各个领域。
实施例3
本实施例提供了一种基于常温半导体脉泽的稳频方法，通过传输线或外接天线接收的泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元跃迁至能级区域内的指定能级，产生稳定的振荡输出。
图8为本发明实施例3提供的基于常温半导体脉泽的稳频方法中，含异质结的晶体管的fr谱密度随fp功率的变化曲线；固定输入泵浦微波fp的频率，改变其输入功率Pin，会出现自锁定现象，即输入功率达到某特定范围时(稳频范围)，随输入功率增加，输出信号fr的频率锁定。利用此现象，馈入功率为该稳频范围中的一个定值的泵浦微波，即可得到稳定的振荡输出。
实施例4
本实施例提供了一种基于常温半导体脉泽的时钟分发方法，输入频率为578.65MHz的泵浦微波信号，改变其输入功率Pin，记录输出信号频率变化，得到如图8所示的变化曲线；固定输入泵浦微波fp的频率，改变其输入功率Pin，会出现自锁定现象，即输入功率达到某特定范围时(稳频范围)，随输入功率增加，输出信号fr的频率锁定。利用此现象，通过接收天线或传输线馈入功率为该稳频范围中的一个定值的泵浦微波，即产生稳定的时钟输出，该稳定的时钟信号可通过发射天线发射，再通过相应的接收器接收，即可实现时钟无线分发。由图8可知，输入功率Pin在-8.3dBm与-7.3dBm之间，输出信号的频率保持在72MHz左右，即发生自锁定现象。
下面检测自锁定时输出信号的稳定性。将频率fp为578.65MHz、功率Pin为-7.82dBm的泵浦微波通过第一匹配网络馈入高电子迁移率晶体管中，调整输入、输出匹配网络的电感电容值，将晶体管的漏级、源极阻抗匹配至50Ω，使输入谐振点ft＝fp匹配到578.65GHz，输出谐振点匹配到f′r＝72MHz，测试发射天线前端信号的相位噪声，结果如图9所示。由图9可知，工作频率为72.33MHz，当频率偏移为100KHz时，相位噪声为-113.1dBc/Hz；当频率偏移为10KHz时，相位噪声为-112.4dBc/Hz；当频率偏移为1KHz时，相位噪声为-98.7dBc/Hz。由测试结果可以看出发生自锁定时，输出相位噪声指标出色，稳频性能突出。
固定输入泵浦微波功率Pin为-7.82dBm，改变输入信号的频率fp，测试输出信号fr的频率值，结果如图10所示。测试发现，当输入的泵浦微波的功率为一个确定值，泵浦微波fp的频率大小可以控制振荡输出信号fr频率的大小，由此可以实现时钟信号的调谐。
Claims (10)
1.一种常温半导体脉泽的实现方法，其特征在于，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，谐振网络在其谐振频率处提供指定的能量通路，使得被激发到高能级的极化激元向下跃迁到能级区域内的指定能级，对外辐射电磁波。
2.根据权利要求1所述的常温半导体脉泽的实现方法，其特征在于，被激发到高能级的极化激元先跃迁至指定能级，辐射产生微波的频率根据输入泵浦微波频率与谐振网络的谐振频率确定；然后从指定能级跃迁到基态能级，辐射产生的频率等于谐振网络的谐振频率。
3.一种常温半导体脉泽，包括第一匹配网络、第二匹配网络、含异质结的晶体管和谐振网络，所述第一匹配网络输出端与含异质结的晶体管漏极相连，第二匹配网络输入端与含异质结的晶体管源极相连，所述含异质结的晶体管栅极通过谐振网络接地；所述第一匹配网络输入端馈入泵浦微波。
4.根据权利要求3所述的常温半导体脉泽，其特征在于，所述含异质结的晶体管为异质结双极型晶体管或者场效应管。
5.根据权利要求4所述的常温半导体脉泽，其特征在于，所述场效应管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者高电子迁移率晶体管。
6.一种基于权利要求3所述常温半导体脉泽的无源混频器的实现方法，其特征在于，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，泵浦微波提供本振频率fp；当输入信号频率fr后，被激发到高能级的极化激元根据输入的信号频率向下跃迁至能级区域内的指定能级，输出频率fa，完成信号混频。
7.一种基于权利要求3所述常温半导体脉泽的无源混频器，包括LO滤波器及其匹配网络、带通滤波器及其匹配网络、含异质结的晶体管、低通滤波器及其匹配网络，其中，所述LO滤波器及其匹配网络的输出端与含异质结的晶体管漏极相连，低通滤波器及其匹配网络的输入端与含异质结的晶体管源极相连，所述含异质结的晶体管栅极连接带通滤波器及其匹配网络。
8.一种基于权利要求3所述常温半导体脉泽的射频微波振荡器的实现方法，其特征在于，泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，根据输入的泵浦微波功率大小控制振荡器中起反馈作用的谐振网络的谐振频率，使得被激发到高能级的极化激元先跃迁至能级区域内的指定能级，再跃迁到基态能级，从而实现稳定的振荡输出。
9.一种基于权利要求3所述常温半导体脉泽的稳频方法，其特征在于，馈入泵浦微波功率为含异质结的晶体管的稳频范围中的一个定值，即可得到稳定的振荡输出。
10.一种如权利要求9所述基于常温半导体脉泽的稳频方法在时钟分发中的应用。
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