Результат интеллектуальной деятельности: ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С СИММЕТРИЧНОЙ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ СВЧ-ТГЦ ДИАПАЗОНОВ

Изобретение относится к регистрации электромагнитного излучения с использованием многослойных наноструктур металл - полупроводник. Изобретение может быть использовано для создания приемных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, пригодных для решения многих задач (противодействие терроризму, навигация в сложных погодных условиях, контроль потоков транспорта, телекоммуникация, контроль состояния атмосферы и др.).

В основе предлагаемого технического решения лежит использование в качестве чувствительного элемента приемника электромагнитного излучения структуры, состоящей из последовательно включенных переходов металл - полупроводник и полупроводник - металл с барьерами Шоттки (Мотта). Такая структура обладает симметричной вольтамперной характеристикой (ВАХ) и при подаче на нее сверхвысокочастотного сигнала постоянная составляющая напряжения на выводах структуры не появляется. Однако на каждом из переходов металл-полупроводник постоянное обратное напряжение возникает. Принцип действия предлагаемого чувствительного элемента состоит в регистрации этого напряжения. В качестве чувствительного элемента используется структура, содержащая под переходами металл - полупроводник проводящий канал, к которому сформированы два дополнительных контакта для подключения низкочастотной цепи. Обратные напряжения, возникающие на переходах, изменяют концентрацию носителей в канале за счет эффекта поля. В результате изменяется импеданс канала. Это изменение можно зарегистрировать с помощью измерительной низкочастотной цепи или на постоянном токе.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства является приемник электромагнитного излучения на переходах Шоттки, описанный в RU 2304826. К недостаткам известного устройства можно отнести недостаточную чувствительность приема измеряемого сигнала и жесткие требования к быстродействию проводящего канала.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего увеличить чувствительность приема на высоких частотах измеряемого сигнала и упростить технологию изготовления чувствительного элемента.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент для регистрации сигналов СВЧ диапазона представляет собой четырехполюсник, содержащий две пары последовательно включенных переходов металл - полупроводник и полупроводник - металл с полупроводником, являющимся общим для обеих указанных пар проводящим каналом, причем первая пара переходов, являющихся переходами Шоттки, имеет два металлических вывода, выполненных в виде металлических слоев, которые подключены к СВЧ цепи, а два металлических вывода второй пары, выполненных в виде металлических слоев, подключены к НЧ цепи для измерения импеданса проводящего канала, в части которого присутствуют токи, вызванные регистрируемым СВЧ сигналом.

В одном из вариантов исполнения четырехполюсник конструктивно выполнен в виде структуры, содержащей проводящий канал в виде легированного полупроводникового слоя или слоя квазидвумерного электронного газа, на одну сторону которого нанесены первый металлический вывод указанной первой пары в центре указанной стороны и два металлических вывода указанной второй пары на двух противоположных краях указанной стороны, при этом второй металлический вывод первой пары нанесен на противоположную сторону указанного слоя напротив указанного первого вывода.

В другом варианте исполнения четырехполюсник конструктивно выполнен в виде структуры, содержащей проводящий канал в виде легированного полупроводникового слоя или слоя квазидвумерного электронного газа, при этом все четыре металлических вывода нанесены на одну сторону указанного слоя, причем металлические выводы указанной первой пары размещены в центре указанной стороны рядом друг с другом, а два металлических вывода указанной второй пары - на двух противоположных краях указанной стороны. При этом каждый из двух металлических выводов указанной первой пары может обхватывать проводящий канал с трех или четырех сторон.

Проводящий канал может являться квазидвумерным электронным газом, переходы указанной второй пары могут быть омическими или переходами Шоттки.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1-5 показаны варианты исполнения четырехполюсника.

Как показано на чертеже, первый и второй выводы четырехполюсника (СВЧ выводы) являются металлическими слоями последовательно включенных переходов металл - полупроводник и полупроводник - металл с барьерами Шоттки (СВЧ переходы). Полупроводник представляет собой легированный полупроводниковый слой, являющийся проводящим каналом. По разные стороны от СВЧ выводов к полупроводниковому каналу сформированы два дополнительных перехода металл - полупроводник (НЧ переходы). Металлические слои этих НЧ переходов являются третьим и четвертым выводами четырехполюсника (НЧ выводы).

СВЧ выводы подключаются к линии передачи СВЧ или непосредственно к антенне, принимающей СВЧ излучение (СВЧ цепь). Частота регистрируемого сигнала может достигать терагерцового (ТГц) диапазона (0.1-10 ТГц). При подаче на СВЧ выводы высокочастотного сигнала на СВЧ переходах металл - полупроводник (МП) возникают обратные напряжения. За счет эффекта поля происходит изменение концентрации носителей в полупроводниковом канале под металлическими слоями СВЧ переходов. За счет этого изменяется импеданс канала. Изменение импеданса канала регистрируется с помощью НЧ цепи, которая подключается к НЧ выводам. Измерение импеданса может происходить как на постоянном, так и на переменном токе. В первом случае НЧ переходы должны быть омическими. Во втором случае ввод переменного тока в канал может осуществляться через барьерные НЧ переходы МП большой площади. Один из вариантов прибора схематично показан на фиг.1. В этом варианте слои металла СВЧ переходов нанесены на разные стороны полупроводникового слоя (канала) напротив друг друга. Каналом может служить полупроводниковый слой с квазидвумерным электронным газом - фиг.2. Конфигурация может быть планарной - фиг.3 и фиг.4. Или еще более сложной - с трехсторонним (или четырехсторонним) обхватом канала металлическими слоями - фиг.5. Для повышения чувствительности приема в устройстве могут использоваться СВЧ переходы с пониженной эффективной высотой барьеров Шоттки. Напротив, для регистрации мощных сигналов эффективная высота барьеров Шоттки СВЧ переходов может быть повышена.

В отличие от известных аналогичных устройств цепь, регистрирующая изменение импеданса канала (НЧ цепь), является низкочастотной, в ней не течет СВЧ ток, поэтому нет жестких требований к быстродействию канала. Кроме того, СВЧ поле сосредоточено в области под металлическими слоями СВЧ переходов, удалено от металлических элементов НЧ цепи и не взаимодействует с ними. В случае использования барьерных НЧ переходов МП предлагаемый прибор может быть вовсе избавлен от омических переходов МП, что упрощает технологию изготовления устройства.