CN210274096U

CN210274096U - 一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***

Info

Publication number: CN210274096U
Application number: CN201921402002.8U
Authority: CN
Inventors: 银珊; 石欣桐; 黄巍; 张文涛; 郭玲; 胡放荣; 熊显名
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2029-08-27

Abstract

本实用新型提出一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***，包括：分别设置于所述方形衬底两侧的呈周期性排列的方形结构单元；所述方形结构单元包括金属结构和半导体结构；半导体结构包括呈圆柱体的P型半导体和呈圆柱体的N型半导体，N型半导体的底面与方形衬底贴合，P型半导体设置于所述N型半导体上，形成一呈圆形区域的PN结；金属结构包括贴合于方形衬底上的环形金属层、第一金属电极和第二金属电极，每个金属结构的第一金属电极相连，每个金属结构的第二金属电极相连。所述编码器与控制端组成编码***，通过对每个金属电极进行独立的电压控制实现太赫兹波的两位编码功能。本实用新型可以具有编码速度快，操作简便和实用性强等优点。

Description

一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***

技术领域

本实用新型涉及太赫兹通信领域，尤其是涉及一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***。

背景技术

太赫兹是频率为0.1THz～10THz的电磁波，在电磁波谱上介于红外和微波之间。利用超材料可以实现对太赫兹波的人为调控，太赫兹作为通信手段，相比于现有的短波、微波通信具有更高的传输带宽和更大的信道容量，穿透性较强，传输方向性更优，信息传输的安全性相对提高。随着对通信需求的增加，太赫兹通信相关的技术急需发展，而相关的通信器件是研究的重点。并且在近地轨道和高轨道空间的星间通信中，真空条件下没有了大气传输窗口的限制，太赫兹通信会有更好的应用前景。

据报道，目前基于的超材料的调控手段大多使用多层三维的金属结构，由许多的频率选择表面构成，这类结构对制作工艺提出了较大的挑战，制造上具有较高的难度与价格。此外，也有通过超表面对太赫兹波进行控制的方案，利用可编程门阵列控制超编面的结构，对照射到超表面上的太赫兹波的空间方向图进行调制，实现了多位数编码。但该编码方案的对光路的需求严格，因为对电磁波的方向图进行调制，需要改变接收器的位置才能检测不同的编码信息，在太赫兹通信中短时间难以应用。还有部分编码器件采用机械的方式进行编码控制，编码速率受到机械结构的极大限制，对太赫兹通信的效率影响较大。

随着通信技术的不断发展，在太赫兹通信方面，急需要一种对制作工艺要求不高、结构简单、编码速度快、效率高的太赫兹编码器件。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***，可以实现太赫兹波的两位编码功能，并且具有编码速度快，响应时间短等优点。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种电压控制的太赫兹2位编码器件，该编码器件包括：

分别设置于所述方形衬底两侧的呈周期性排列的方形结构单元；

所述方形结构单元包括金属结构和半导体结构；

所述半导体结构包括呈圆柱体的P型半导体310和呈圆柱体的N型半导体31，所述N型半导体的底面与所述方形衬底2贴合，所述P型半导体设置于所述N型半导体上，形成一呈圆形区域的PN结；

所述金属结构包括贴合于所述方形衬底上的环形金属层、第一金属电极39和第二金属电极35，每个金属结构的第一金属电极相连，每个金属结构的第二金属电极相连；

所述环形金属层环绕所述半导体结构设置，所述半导体结构的表面或/和所述环形金属层的表面设置有隔离层；

在所述环形金属层上设置有两开口，使环形金属层形成对称设置的第一圆弧形金属层311和第二圆弧形金属层33，所述第一圆弧形金属层与所述第二圆弧形金属层的圆弧均为劣弧；所述第一圆弧形金属层的圆弧的最高点处向远离半导体结构中心的方向延伸形成设置有第一连接部37，所述第一连接部与所述第一金属电极连接，第一圆弧形金属层的圆弧的最高点处朝向半导体结构中心的方向延伸形成设置有第二连接部38，所述第二连接部***到所述N型半导体内并与方形衬底贴合；所述第二圆弧形金属层的圆弧的最高点处向远离半导体结构中心的方向延伸形成设置有第三连接部36，所述第三连接部与所述第二金属电极连接，第二圆弧形金属层的圆弧的最高点处朝向半导体结构中心的方向延伸形成设置有第四连接部34，所述第四连接部贴合于所述P型半导体的一侧。

可选地，所述隔离层为硅氧化层。

可选地，所述方形衬底为蓝宝石衬底。

可选地，所述蓝宝石衬底的厚度为400～1000微米，所述结构单元的边长为5～500微米。

可选地，所述半导体结构的高为1～2微米。

可选地，所述环形金属层厚度小于所述N型半导体的厚度。

可选地，设置于方形衬底一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为40～500微米，内径为20～300微米，开口宽度为4～100微米。

可选地，设置于方形衬底另一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为50～500微米，内径为45～500微米，开口宽度为4～100微米。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种电压控制的太赫兹2位编码***，包括所述的编码器件和控制端，所述控制端具有两路电压隔离的输出，每路输出包括一正极和一负极，两个正极连接在衬底一侧的金属结构上，两个负极连接在衬底另一侧的金属结构上。

如上所述，本实用新型的一种电压控制的太赫兹2位编码器件及***，具有以下有益效果：

本实用新型提出了适用于太赫兹通信领域的电压控制的太赫兹2位编码器件，很好的满足了太赫兹通信所需的要求，因为采用IC电路进行控制，编码速度的极限取决于IC电路的传输物理极限，目前IC电路的信号频率目前已经可达GHz级别，在编码速度和应用方面具有很好的应用前景。本实用新型提出的器件结构中P型半导体与N型半导体使用层叠结构结合，增大了PN结的覆盖面积，对太赫兹波的控制效果显著提升。

附图说明

为了进一步阐述本实用新型所描述的内容，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本实用新型的范围的限定。

图1为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码器件的正视图；

图2为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码器件的后视图；

图3为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码器件的侧视图；

图4为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码器件的俯视图；

图5为本实用新型一实施例中结构单元的示意图；

图6为本实用新型一实施例中正面结构的截面图；

图7为本实用新型一实施例中图1的A处放大图；

图8为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码***的示意图；

图9为本实用新型一实施例中电压控制的太赫兹2位编码方法的示意图I。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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

如图1～7，一种电压控制的太赫兹2位编码器件，该编码器件包括：

所述方形结构单元包括金属结构和半导体结构；在本实施例中，结构单元为正方形。

所述半导体结构包括呈圆本体的P型半导体310和呈圆柱体的N型半导体31，所述N型半导体的底面与所述方形衬底2贴合，所述P型半导体设置于所述N型半导体上，形成一呈圆形区域的PN结；

在一些实施例中，还包括两个金属电极，如图7，上、下各设置一个，其中一个与第一金属电极连接，另一个与第二金属电极连接。

所述环形金属层环绕所述半导体结构设置，所述半导体结构的表面或/和所述环形金属层的表面设置有隔离层；在一具体实施例中，隔离层的材料可以为硅氧化层(极薄，仅有数纳米)设置隔离层，可以对半导体和环形金属层进行电隔离。

于一实施例中，所述第二连接部的厚度小于所述第一连接部的厚度。

由于本实施例提出的编码器件对入射的太赫兹波偏振方向有要求，因此在编码器件的一侧右上角设有方形标记1，使用时应注意安装方向正确。

于一实施例中，所述方形衬底为蓝宝石衬底。

于一实施例中，所述蓝宝石衬底的厚度为400～1000微米，所述结构单元的边长为5～500微米。

于一实施例中，所述半导体结构的高为0.2～2微米。

于一实施例中，所述环形金属层厚度小于所述N型半导体的厚度。

于一实施例中，设置于方形衬底一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为40～500微米，内径为20～300微米，开口宽度为4～100微米。

于一实施例中，设置于方形衬底另一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为50～500微米，内径为45～500微米，开口宽度为4～100微米。

于一实施例中，所述蓝宝石衬底的厚度为100～1000微米，设置于衬底一侧所述结构单元的边长为100微米，另一侧的边长为200微米。所述半导体结构的高为0.5微米。所述环形金属层厚度小于所述N型半导体的厚度。设置于方形衬底一侧的环形金属层的厚度为0.2微米，其外径为110微米，内径为90微米，开口宽度为8微米，第一连接部的长度为21微米。设置于方形衬底另一侧的环形金属层的厚度为0.2微米，其外径为60微米，内径为50微米，开口宽度为10微米，第三连接部的长度为7微米。在本实施例中，设置于衬底一侧的结构单元中的环形金属层的外/内径分别为60/50微米、衬底100微米，设置于衬底另一侧的结构单元中的环形金属层的外/内径110/90、衬底200微米的结构组合达到了最佳的效果。该结构构建的两个谐振频率分别为0.43THz，0.81THz。

本实施例还提供另一种描述方式对编码器件进行描述。一种编码器件，包括：

蓝宝石衬底；

由形状类似于“|─(─”和其关于y轴旋转对称的“─)─|”组成的金属结构。两个对称结构中的半圆形状部分可以看作是一个中心位于结构单元中心的圆环，沿着y轴方向挖去一些部分构成的，这种结构叫做双向开口环。结构中两侧纵向延伸金属条“|”起到一个单元之间的连接作用，该部分在y方向单元之间是连续的。左侧双向开口环的左侧部分“-”是与开口环等厚的金属，将开口环与外侧金属连接在一起，开口环右侧的部分“-”是紧贴衬底表面，厚度相比双向开口环的厚度薄很多，约1/5。左侧结构与右侧的结构关于单元的y轴旋转对称。

形状为圆柱体的半导体结构，该部分按照参杂的元素类型可以分为上下两部分，分别为P型参杂导体和N型参杂半导体。其中N型半导体的底面与衬底直接贴合，左侧金属结构的“-”型结构嵌入下层的N型半导体中。上层P型半导体的底部紧贴着N型半导体的顶部，在P型半导体和N型半导体的交界面上，因为扩散作用，在两种半导体之间形成一个圆形区域的PN结，PN结的面积覆盖了整个金属圆环围起来的区域。右侧金属条的顶部“-”形金属条紧贴于P型半导体的顶面。结构中金属与半导体接触全部为欧姆接触，避免肖特基接触。

上述的金属结构和半导体结构共同组成本实用新型提出的器件的一个结构单元。

将结构单元沿着xyz坐标系的x方向和y方向进行周期延伸，组成器件的复合超表面。器件的正面与背面的结构是相似的，采取了不同的尺寸和形态，得以对不同频率的太赫兹波进行调控。

在器件表面的y轴方向的两侧，有着沿x方向紧贴器件表面的条形金属结构，长度比器件的边长稍短，宽度约为2～3个单元大小。单元左侧的金属条形结构与器件表面上方的金属结构相连接，单元右侧的金属条形结构与器件表面下方的金属条形结构相连接。通过这种连接方式，将每个结构单元通过类似电路中并联的方式连接在一起。

以上描述了本实用新型的器件结构。

于一实施例中，所述方形衬底为蓝宝石衬底。

于一实施例中，所述蓝宝石衬底的厚度为400～1000微米，所述方形衬底的边长为5～500微米。

于一实施例中，所述半导体结构的高为0.2～2微米。

于一实施例中，设置于方形衬底正面的金属圆环的厚度为0.1～0.3微米，其外径为40～500微米，内径为20～300微米，开口宽度为4～100微米。

于一实施例中，设置于方形衬底背面的金属圆环的厚度为0.1～0.3微米，其外径为50～500微米，内径为45～500微米，开口宽度为4～100微米。

在一个实施例中，衬底的厚度为1000微米，金属的厚度0.5微米，半导体部分厚度和为1.5微米，正面单个结构单元边长100微米，背面单个结构单元边长200微米。正面金属圆环的外径，内径分别为60微米，50微米，开口宽度8微米，横向的连接部分短边长6微米，纵向连接部分与单元的宽度相同；背面金属圆环的外径，内径分别为110微米，90微米，开口宽度10微米，横向的连接部分短边长8微米，纵向连接部分与单元的宽相同。该结构构建的两个谐振频率分别为0.43THz，0.81THz。

在一些实施例中，如图8所示，一种电压控制的太赫兹2位编码***，包括所述的编码器件和控制端，所述控制端具有两路电压隔离的输出，每路输出包括一正极和一负极，两个正极连接在衬底一侧的金属结构上，两个负极连接在衬底另一侧的金属结构上。

控制端为一IC电路，可以是但不限于FPGA、ARM、DSP等。

在一些实施例中，提供一种编码的方法，通过控制端向编码器一侧和另一侧上的金属结构施加电压，

通过控制端向编码器一侧和另一侧上的金属结构施加电压，

当向一侧的金属结构施加正向电压时，PN结导通，编码器件对0.43THz的太赫兹波导通；

当向一侧的金属结构施加负向电压时，PN结截止，编码器件对0.43THz的太赫兹波阻断；

当向另一侧的金属结构施加正向电压时，PN结导通，编码器件对0.81THz的太赫兹波导通；

当向另一侧的金属结构施加负向电压时，PN结截止，编码器件对0.81THz的太赫兹波阻断；

当向一侧的金属结构施加负向电压，另一侧的金属结构施加负向电压，得到编码00；

当向一侧的金属结构施加负向电压，另一侧的金属结构施加正向电压，得到编码01；

当向一侧的金属结构施加正向电压，另一侧的金属结构施加负向电压，得到编码10；

当向一侧的金属结构施加正向电压，另一侧的金属结构施加正向电压，得到编码11。

本实用新型提出的编码方案对不同频率的太赫兹波分别进行调控，进而实现多位编码。

本实用新型提出了适用于太赫兹通信领域的编码器件，很好的满足了太赫兹通信所需的要求，因为采用IC电路进行控制，编码速度的极限取决于IC电路的传输物理极限，目前IC电路的信号频率目前已经可达GHz级别，在编码速度和应用方面具有很好的应用前景。此外，借助于成熟的照相平板印刷术和离子刻蚀技术，器件的制作上不具有难度，并且价格相对低廉。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，该编码器件包括：

分别设置于方形衬底两侧的呈周期性排列的方形结构单元；

所述方形结构单元包括金属结构和半导体结构；

所述半导体结构包括呈圆柱体的P型半导体(310)和呈圆柱体的N型半导体(31)，所述N型半导体的底面与所述方形衬底(2)贴合，所述P型半导体设置于所述N型半导体上，形成一呈圆形区域的PN结；

所述金属结构包括贴合于所述方形衬底上的环形金属层、第一金属电极(39)和第二金属电极(35)，每个金属结构的第一金属电极相连，每个金属结构的第二金属电极相连；

在所述环形金属层上设置有两开口，使环形金属层形成对称设置的第一圆弧形金属层(311)和第二圆弧形金属层(33)，所述第一圆弧形金属层与所述第二圆弧形金属层的圆弧均为劣弧；所述第一圆弧形金属层的圆弧的最高点处向远离半导体结构中心的方向延伸形成设置有第一连接部(37)，所述第一连接部与所述第一金属电极连接，第一圆弧形金属层的圆弧的最高点处朝向半导体结构中心的方向延伸形成设置有第二连接部(38)，所述第二连接部***到所述N型半导体内并与方形衬底贴合；所述第二圆弧形金属层的圆弧的最高点处向远离半导体结构中心的方向延伸形成设置有第三连接部(36)，所述第三连接部与所述第二金属电极连接，第二圆弧形金属层的圆弧的最高点处朝向半导体结构中心的方向延伸形成设置有第四连接部(34)，所述第四连接部贴合于所述P型半导体的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，所述隔离为硅氧化层。

3.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，所述方形衬底为蓝宝石衬底。

4.根据权利要求3所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，所述蓝宝石衬底的厚度为400～1000微米，所述结构单元的边长为5～500微米。

5.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，所述半导体结构的高为1～2微米。

6.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，所述环形金属层厚度小于所述N型半导体的厚度。

7.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，设置于方形衬底一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为40～500微米，内径为20～300微米，开口宽度为4～100微米。

8.根据权利要求1所述的一种电压控制的太赫兹2位编码器件，其特征在于，设置于方形衬底另一侧的结构单元中的环形金属层的厚度为0.1～0.3微米，其外径为50～500微米，内径为45～500微米，开口宽度为4～100微米。

9.一种电压控制的太赫兹2位编码***，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项所述的编码器件和控制端，所述控制端具有两路电压隔离的输出，每路输出包括一正极和一负极，两个正极连接在衬底一侧的金属结构上，两个负极连接在衬底另一侧的金属结构上。