Новая цепочка диодов для мощных терагерцовых технологий

Электромагнитные волны в диапазоне частот между микроволновым и инфракрасным излучением, известные как терагерцовое излучение, уже находят применение во многих технологиях, включая различные системы визуализации и беспроводной связи. Однако генерация мощных и непрерывных терагерцовых сигналов с использованием существующих электронных компонентов остается непростой задачей.

Для надежной генерации таких сигналов инженеры часто прибегают к частотным умножителям — электронным схемам, которые искажают входной сигнал для получения выходного сигнала с нужной частотой. Некоторые из этих схем основаны на диодах Шоттки, где переход между металлом и полупроводником формирует односторонний электрический контакт.

Хотя частотные умножители на диодах Шоттки демонстрируют многообещающие результаты, отдельные диоды могут обрабатывать лишь ограниченное количество энергии. Для увеличения этой мощности инженеры используют несколько диодов, соединенных в цепочку. Однако даже такой подход имеет свои пределы, поскольку распределение электромагнитного поля между диодами в цепочке зачастую становится неравномерным.

Исследователи из Университета электронной науки и техники недавно представили новую конструкцию цепочки диодов, которая может преодолеть это ограничение путем переформирования локальных электромагнитных полей и их более равномерного распределения по всей цепочке. Новая асимметричная цепочка диодов в форме буквы 'C', описанная в статье, опубликованной в Nature Electronics, показала более высокую эффективность умножения частоты по сравнению с большинством других разработанных на сегодняшний день диодных умножителей.

«Устройства-умножители частоты на диодах Шоттки могут использоваться для генерации терагерцового излучения, предлагая высокую выходную мощность и возможность интеграции в полностью твердотельные системы», — пишут Хонджи Чжоу, Тяньчи Чжоу и их коллеги. «Однако масштабирование выходной мощности таких устройств часто ограничивается мощностной способностью одного диода. Соединенная цепочка диодов Шоттки вместе с подходом комбинирования мощности может быть использована для увеличения выходной терагерцовой мощности. Тем не менее, неравномерное распределение поля между диодами — связанное со сходством терагерцовой длины волны и физических размеров самих диодов — приводит к снижению эффективности и преждевременному пробою».

Чтобы преодолеть ограничения ранее представленных усилителей на основе одиночных диодов и диодных цепочек, исследователи разработали новую конструкцию, в которой диоды расположены в двуслойной цепочке в форме буквы 'C'. Форма цепочки является асимметричной, что способствует лучшему потоку электромагнитных полей между диодами.

Исследователи оценили производительность своей новой цепочки диодов как в симуляциях, так и в лабораторных испытаниях. Примечательно, что они обнаружили один из самых высоких показателей эффективности удвоения терагерцовой частоты, когда-либо зарегистрированных, что подчеркивает ее потенциал в качестве умножителя частоты. «Мы представляем асимметричную двуслойную С-образную структуру цепочки диодов, которая может регулировать распределение локального электромагнитного поля и повышать эффективность преобразования цепочки диодов», — пишут авторы. «Наше итоговое устройство демонстрирует эффективность удвоения частоты в 38% с выходной мощностью более 300 мВт при 170 ГГц».

С-образная цепочка диодов может быть в скором времени усовершенствована и использована для разработки широкого спектра электронных устройств. В будущем она может способствовать появлению более компактных передатчиков и генераторов терагерцовых волн, которые, в свою очередь, могут быть использованы для создания более совершенных систем визуализации, зондирования и связи.