常温半导体脉泽及其应用制造技术

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。本发明专利技术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。

Room temperature semiconductor maser and its application

【技术实现步骤摘要】
常温半导体脉泽及其应用
本专利技术属于量子力学、半导体物理、电子学
，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。
技术介绍
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【roomtemperaturesolidstatemaser,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【Continuouswaveroomtemperaturediamondmaser,JonathanD.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。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术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。本专利技术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)。本专利技术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)。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术还提供了一种基本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：补世荣，符阳，陈柳，曾成，宁俊松，王占平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51