Генератор электрических колебаний звуковых частот

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к генераторам, управляемым электрическим полем, и может быть использовано в радиоэлектронике, автоматике и информационной технике. Сущность изобретения: генератор электрических колебаний звуковых частот содержит последовательно соединенные источник тока, нагрузочное сопротивление и автоколебательную среду. Автоколебательная среда выполнена из компенсированного марганцем кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ = (2,1÷ 3,7)·10³ Ом·см. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к генераторам, управляемым электрическим полем, и может быть использовано в радиоэлектронике, автоматике и информационной технике.

Известен генератор звуковых частот, основанный на применении схем самовозбуждения и преобразования электрических колебаний [1] Недостатками этого генератора являются сложность электрической схемы и большая энергопотребляемость.

Известен полупроводниковый генератор спонтанного колебания релаксационной формы с частотой 10-10⁵ Гц, управляемый электрическим током.

Недостатком такого генератора является большое пороговое поле возбуждения колебания тока, которое равно Е ≈ 10³ В/см.

Наиболее близким к изобретению является генератор электрических колебаний звуковых частот, содержащий последовательно соединенные источник тока, нагрузочное сопротивление и автоколебательную среду на основе кремния, компенсированного марганцем р-типа проводимости [2] В таком генераторе при электрических полях Е ≈ 600 В/см при температуре жидкого азота (Т=77 К) возбуждаются инжекционные автоколебания тока инфранизкой частоты 2x x10^-3 10 Гц.

Недостатками данного генератора являются невозможность получения колебаний тока с частотой более 10 Гц и высокое пороговое поле возбуждения этих колебаний.

Целью изобретения являются увеличение частоты колебаний тока и снижение порогового электрического поля возбуждения этих колебаний.

Цель достигается тем, что в генераторе электрических колебаний звуковых частот, содержащем последовательно соединенные источник тока, нагрузочное сопротивление и автоколебательную среду на основе кремния, компенсированного марганцем р-типа проводимости, автоколебательная среда выполнена с удельным сопротивлением ρ=(2,1-3,7) ˙10³ Ом см.

В предлагаемом генераторе колебания тока звуковой частоты возбуждаются в автоколебательной среде при комнатной температуре, когда величина постоянного электрического поля превышает некоторое пороговое значение. Выполнение автоколебательной среды из кристаллов компенсированного марганцем кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ=(2,1-3,7) ˙10³ Ом ˙см позволяет снизить пороговое поле Е_п возбуждения колебаний тока звуковой частоты в пределах до 16-36 В/см и повысить частоту колебаний в пределах до 2,4 кГц.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого генератора; на фиг. 2 зависимости амплитуды колебаний тока J_k и частоты колебаний f_k от электрического поля Е > Е_n.

Генератор включает металлический корпус 1. Автоколебательная среда в виде кристалла 2 через диэлектрическую подложку 3 прикрепляется к стенке корпуса 1. Омические контакты, выполненные электрохимическим осаждением никеля, подключены к выводам 4 и 5. Вывод 4 через переменное нагрузочное сопротивление 6 (R_н) подключается к положительному полюсу источника питания с регулируемым напряжением в пределах 0-24 В. Вывод 5 подключается к отрицательному полюсу источника питания. Выходной переменный сигнал в виде колебания тока снимается с нагрузочного сопротивления 6. Автоколебательная среда в качестве кристалла 2 изготовлена их компенсированного марганцем кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ=(2,1-3,7) 10³ Ом˙ см, с размером 6х3х2 мм³. Компенсация марганцем осуществлялась путем диффузионного легирования марганцем промышленного кремния марки КДБ-10 (ТУ-48-4-295-74) в интервале температур 1020-1030^оС в течение 2 ч из газовой фазы в специальных кварцевых ампулах, откаченных до 10^-4 мм рт.ст.

Генератор работает следующим образом.

На кристалл 2 через нагрузочное сопротивление 6 (R_н) от источника питания подается регулируемое напряжение 0-24 В. Когда электрическое поле в автоколебательной среде достигает значения больше порогового Е< Е_п, в цепи возбуждаются автоколебания тока звуковой частоты и синусоидальной формы, которые снимаются с нагрузочного сопротивления 6. Амплитудой выходного сигнала можно линейно управлять путем изменения величины нагрузочного сопротивления 6 в пределах 10³-10⁴/Ом.

В таблице приведены значения порогового поля Е_п и пороговой частоты f_п в зависимости от удельного сопротивления ρ автоколебательной среды при комнатной температуре.

Из анализа результатов, приведенных в таблице, следует, что наиболее оптимальные значения удельных сопротивлений кристаллов Si < Mn > для выполнения автоколебательной среды, у которой пороговое поле Е_п должно быть меньше, чем 50 В/см, составляет ρ(2,1-3,7) ˙10³ Ом ˙см.

Снижение порогового поля и увеличение частоты колебаний тока в предлагаемом генераторе по сравнению с прототипом можно объяснить следующим образом.

В предлагаемом генераторе автоколебания тока звуковой частоты возбуждаются из-за существования в кристаллах Si < Mn > так называемых рекомбинационных волн (РВ). Как известно, в полупроводниках, содержащих глубокие уровни с асимметричным сечением захвата, для носителей тока могут существовать РВ при комнатной температуре и в темноте. Существование РВ связано с неравномерным распределением носителей тока вдоль образца и с глубоким уровнем. При электрических полях, больше чем пороговое в кристалле, из-за глубокого уровня, преимущественно захватывающего носители тока одного сорта, возникают квазинейтральные колебания концентрации носителей тока и по образцу распространяются продольные волны электрического поля, т.е. РВ. При этом в кристалле генерируются автоколебания тока с амплитудой до десятков мкА и частотой несколько кГц. Этот процесс протекает при комнатной температуре и в темноте, так как кристалл не нагревается и отпадает необходимость хладагента. Как видно из таблицы, в предлагаемом генераторе минимальное значение Е_п= 16 В/см, что почти в 40 раз меньше чем в прототипе, а минимальное значение f_п=1,85 кГц, что более чем на два порядка больше, чем у прототипа.

На фиг. 2 приведены зависимости амплитуды колебания J_к и частоты колебаний f_к от электрического поля Е >Е_п, которые генерируются автоколебательной средой, выполненной из кристалла Si< Mn > c ρ=2,1˙ 10³ Ом см. Как видно из этой зависимости, при помощи электрического поля легко можно управлять и амплитудой, и частотой автоколебания тока на выходе генератора.

Таким образом, в предлагаемом генераторе при эксплуатации не требуется специального охлаждения, что позволяет снизить дополнительные затраты и упростить устройство генератора. Кроме того, снижение порогового поля до Е_п < 50 В/см позволяет использовать малогабаритные источники питания, а это повышает срок службы и ресурс работы генератора.

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, содержащий последовательно соединенные источник тока, нагрузочное сопротивление и автоколебательную среду на основе кремния, компенсированного марганцем p-типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью увеличения частоты колебаний тока и снижения порогового электрического поля возбуждения этих колебаний, автоколебательная среда выполнена с удельным сопротивлением ρ = (2,1-3,7)·10³,Ом·см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3