TWI638452B - Room temperature oscillator - Google Patents
Room temperature oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- TWI638452B TWI638452B TW106145294A TW106145294A TWI638452B TW I638452 B TWI638452 B TW I638452B TW 106145294 A TW106145294 A TW 106145294A TW 106145294 A TW106145294 A TW 106145294A TW I638452 B TWI638452 B TW I638452B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- room temperature
- etching
- temperature oscillator
- low
- layer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Weting (AREA)
Abstract
本發明提供一種室溫振盪器，其特徵在於：該室溫振盪器具有一二極體，該二極體係由一多孔矽結構和二電極層所組成，該等電極層係分別設於該多孔矽結構兩端，而該多孔矽結構係為一矽基板上形成有複數高孔隙率層和複數低孔隙率層，且該等高孔隙率層與該等低孔隙率層係為間隔設置之結構；其中，當該二極體被供以一偏置電源時，該二極體兩端之電壓會在二電壓值間振盪，進而使該室溫振盪器產生固定頻率之穩定振盪波形。如此一來，本發明所提供之室溫振盪器，就能透過材料本身的特性，無須再添加其他的製程，就能在室溫下產生固定頻率之振盪波形。
Description
本發明係屬於振盪器的領域，特別是關於一種在通以電流或電壓後完全依靠材料特性而在室溫範圍內即可產生振盪之室溫振盪器。
按，目前振盪器係廣泛運用於各類有線及無線電子產品或系統上，舉凡軍事、機械、通訊、電子、醫療等消費性產業中都有使用振盪器的產品，因此在現今電子系統中是重要的部件之一，而在諧波振盪器中，除了反饋振盪器以外，最常被使用的是負微分電阻(NDR,Negative differential resistance)振盪器。一般而言，NDR通常係利用LC電路、CMOS放大器之複雜電路，只有一些特殊的雙端二極體，像是甘恩二極體(Gunn diode)，及近期眾多討論之諧振穿隧二極體(RTDs,Resonant tunneling diodes)等等，才能以簡單的二極體方式形成。
不過，上述二極體之振盪器皆是在低功率範圍，且RTD更需在極低溫狀態下才能產生振盪波形，原因係為RTD振盪器需要靠量子電子才能產生出振盪波形，但一般的振盪器在室溫下時，熱電子的活動較為活躍，進而遮蔽了量子電子的活動，因此無法偵測到量子電子的活動，更無從提起量子電子所產生之振盪波形。因此，傳統作法係將溫度降低至熱電子幾乎不活躍之程度，以突顯出量子電子的活動性，這樣才能夠偵測到振盪波形，進而形成振盪器。然而，極低溫之振盪器以應用面來說十分狹
窄，無法具有廣泛的應用，因此，如何能製作出在室溫下能偵測到振盪波形，且是具有固定頻率之振盪波形的振盪器是相當重要的課題。
有鑑於此，本發明人感其未臻完善而竭其心智苦心研究，並憑其從事該項研究多年之累積經驗，進而提供一種室溫振盪器，以期可以改善上述習知技術之缺失。
於是，本發明之一目的，旨在提供一種在室溫下能夠運作之振盪器，且是能夠在室溫下產生高功率和固定頻率之振盪波形的振盪器。
為達上述目的，本發明之室溫振盪器，其特徵在於：該室溫振盪器具有一二極體，該二極體係由一多孔矽結構和二電極層所組成，該等電極層係分別設於該多孔矽結構兩端，而該多孔矽結構係為一矽基板上形成有複數高孔隙率層和複數低孔隙率層，且該等高孔隙率層與該等低孔隙率層係為間隔設置之結構；其中，當該二極體被供以一偏置電源時，該二極體兩端之電壓會在二電壓值間振盪，進而使該室溫振盪器產生固定頻率之穩定振盪波形。這樣在通以能源後，透過材料本身的特性便能讓振盪器在室溫下便可產生振盪波形。
在某些實施例中，該偏置電源係為一固定電流，以利用電流使該室溫振盪器透過材料特性產生振盪波形。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電流在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的電流蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電壓在
該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的電壓蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性亮暗變化之一光源進行照光，以在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的光源蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
在某些實施例中，該偏置電源係為一固定電壓，以利用電壓驅動使該室溫振盪器透過材料特性產生振盪波形。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電流在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的電流蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電壓在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的電壓蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
較佳者，利用一蝕刻溶液和具有週期性亮暗變化之一光源進行照光，以在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用週期性變化的光源蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
此外，該矽基板內更可具有複數摻雜物，且摻雜濃度從該矽基板頂部向下隨著深度不同而有週期性高低變化，再利用一蝕刻溶液在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層，以利用摻雜濃度的不同而蝕刻製成能夠在室溫產生振盪之振盪器。
如此一來，本發明所提供之室溫振盪器，就能夠透過材料本身的特性，而無須再添加其他的製程，就能在室溫下產生振盪，且是高功率及固定頻率之振盪波形，因此改善了傳統振盪器只能在低溫下使用之缺點，並利用室溫下可使用之特點，進而擴增應用之範疇，讓本發明能有更多的後續應用，增添實用性。
1‧‧‧室溫振盪器
11‧‧‧二極體
111‧‧‧多孔矽結構
112‧‧‧電極層
1111‧‧‧矽基板
1112‧‧‧高孔隙率層
1113‧‧‧低孔隙率層
2‧‧‧偏置電源
第1圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之電路示意圖。
第2圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之結構示意圖。
第3圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之蝕刻電流和電壓對蝕刻時間之數據圖。
第4圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體的I-V線圖。
第5A圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體在施予固定偏置電流後的振盪機制示意圖。
第5B圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體在施予固定偏置電流後的振盪機制示意圖。
第6圖，為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體所產生之振盪波形與正弦波之比較示意圖。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1圖和第2圖，係為本發明已具體實現之較佳實施例的電路示意圖和結構示意圖。如圖中所示，本發明之室溫振盪器1，其特徵在於：該室溫振盪器1具有一二極體11，該二極體11係由一多孔矽結構111和二電極層112所組成，該等電極層112係分別設於該多孔矽結構111兩端，而該多孔矽結構111係為一矽基板1111上形成有複數高孔隙率層1112和複數低孔隙率層1113，且該等高孔隙率層1112與該等低孔隙率層1113係為間隔設置之結構；其中，當該二極體11被供以一偏置電源2時，該二極體11兩端之電壓會在二電壓值間振盪，進而使該室溫振盪器1產生固定頻率之穩定振盪波形。而在本實施例中，該偏置電源2係使用固定電流來進行後續實驗之成果示意，當然使用固定電壓亦可，並不以此為限。
在本實施例中，該矽基板1111晶面之米勒指數為(100)，且電阻係為1~10Ω．cm，而相關的陽極氧化蝕刻程序係建立在鐵氟龍腔體中。此外，該蝕刻溶液係由氫氟酸與乙醇相互混合製成，且氫氟酸與乙醇之混合比為1：4，陽極係為銅片與該矽基板產生金屬接觸，而陰極則使用銀板。並且，本實施例中所有的實驗和量測皆在室溫下進行。
該矽基板和該蝕刻溶液之間的化學反應係表示如下：Si+2HF+2h+→SiF2+2H+ SiF2+4H+→H2+H2SiF6
在HF為基底的電解質中，氟離子係持續被蝕刻電壓驅動而移動到該矽基板的表面，並與電洞(h+)和矽原子而產生H2SiF6。因為H2SiF6具有可溶性，當H2SiF6溶進電解質時，該矽基板111上便會產生奈米級的細孔而導致空位(vacancy)出現。這個過程便能形成該多孔矽結構111。
在陽極氧化蝕刻中，電解液的HF濃度、該矽基板1111中h+的濃度和蝕刻電流密度是針對該多孔矽結構111的細孔大小等細節的控制來說三個相當重要的因子。在本實施例中，透過調整該蝕刻電流之端點值，亦即在6mA和2mA之間交替，且該蝕刻電流在每個端點值係持續15秒，而交替之週期數係為10次而形成該多孔矽結構111，並且蝕刻的面積係為5.3平方公分，而像電壓等其他參數係為定值，亦即只有電流值產生週期性變化。因為該蝕刻電流係在6mA和2mA之間交替，該蝕刻電流的密度分別為1.13和0.38mA/cm-2。此外，依照前述方式調整該蝕刻電流之兩個端點值後即可製成該多孔矽結構111，不過雖然不同的高低蝕刻電流組合均能形成該多孔矽結構111，但是當該蝕刻電流之兩個端點值為6mA和2mA時，所製成之該二極體11才會具有較為明顯的NDR和振盪的性質。
在其他實施例中，在進行陽極蝕刻時則是改成使用週期性高低變化的電壓，其他參數像蝕刻電流等為定值；或是使用光源之亮暗為週期性變化之照光行為作為蝕刻的條件之一，而其他參數像蝕刻電流和蝕刻電壓等為定值；抑或是使該矽基板1111內可具有複數摻雜物，且摻雜濃度從該矽基板1111頂部向下隨著深度不同而有週期性高低變化，再利用該蝕刻溶液在該矽基板1111上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層1112與該等低孔隙率層1113，而其他參數如蝕刻電流和蝕刻電壓等為定值。這樣便可提供多種進行陽極蝕刻之製程選擇，並不單以週期性變化之電流為限。
請配合參閱第3圖，其係為本發明已具體實現之較佳實施例之蝕刻電流和電壓對蝕刻時間之數據圖。如圖所示，圖中的實線係表示蝕
刻進行時該等電極層112兩端的電壓，虛線則表示該蝕刻電流，從圖中可以看出，該蝕刻電流確實在6mA和2mA之間交互替換，因該蝕刻電流呈週期性變化，導致蝕刻電流密度亦呈高低之週期性變化，所以會產生週期性的孔隙率變化，因此而在該矽基板1111上形成該多孔矽結構111。
請配合參閱第4圖，其係為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體的I-V特性曲線圖。如圖所示，可以清晰看出該二極體11能提供一個明顯的NDR曲線，尤其在第三象限中，相對的波峰值為(-6.8V,-64.6mA)，而波谷值為(-6.9V,-8.2mA)，所以其峰谷電流比係高達7.9。
該多孔矽結構111係透過調整該蝕刻電流之端點值所產生兩種不同的孔隙率而形成，而該等高孔隙率層1112與該等低孔隙率層1113實際上係分別對應為不同大小的多個微型柱體，這兩種較大或較小的微型柱體係對應兩種量子局限效應、兩種能帶隙和兩種電子遷移率。由於局限效應和散射效應的關係，相較於較小的微型柱體(低孔隙層1113)，在較大的微型柱體(高孔隙率層1112)中電子遷移率較高，而在施加較低電壓的區域，電子傾向在較大的微型柱體(高孔隙率層1112)傳導，而不是在較小的微型柱體(低孔隙層1113)中傳導。當施予的電壓達到一極限值時會產生劇烈的散射效應，且電子會具有足夠的能量克服不連續能帶並跨過奈米級的細孔而進入較小的微型柱體(低孔隙層1113)中，此時平均遷移率便會驟降便導致NDR現象的產生。
請再配合參閱第5A圖、第5B圖，其係為本發明已具體實現之較佳實施例之二極體在施予固定偏置電流後的振盪機制示意圖。如圖所示，當該二極體11在供以該偏置電源2(此處為固定電流)時，該二極體
11兩端之電壓會在二電壓值間振盪，進而產生近似正弦波之固定頻率的穩定振盪波形。在本實施例中，當該二電極層112被施加之該固定電流，其值設為-70mA時，NDR曲線的操作點會從一開始的狀態Q0(0V,0mA)移動到電流峰值點Qp(-15.2V,-64.6mA)，因為這個點非常接近該固定電流的值(-70mA)，所以非常容易因為過電流效應的慣性就短暫到達Qp+dQp點(-16.0V,-17.0mA)。然而，Qp+dQp點在NDR曲線上並不是穩定的狀態，於是系統為了穩定而使流過該二極體11之固定電流瞬間下降到Q3+dQ3點(-16V,-17.0mA)，不過在下降超過Q3+dQ3點後的瞬間，該固定電流會具有繼續向前移動的慣性，因此該固定電流會繼續順著NDR曲線下降至10.0mA。此時，在NDR曲線上有兩個穩定態，一個是Q3點(-12.0V,-10mA)，另一個是Q1點(-4.0V,-10mA)，Q1點也是NDR曲線和Q3起始的電路負載線相交的三個點中的一個，因此會吸引操作點從Q3點移動到Q1點，並且會產生如諧波運動般一直重復這個過程，如第5B圖所示。
此外，如第6圖所示並再配合參閱附件1，實線為正弦波的波形，虛線則為本發明的振盪波形，可以看出本實驗所得出的結果在Q3點移動到Q1點的波形係確實完美地與頻率為101.3kHz的正弦波波形吻合，因此可見本發明之室溫振盪器確實能產生具有固定頻率之振盪波形，且更好的是還幾乎能與正弦波波形吻合。接著，操作點回到Q1點後，由於該固定電流之電流值繼續增加至-70mA，使得操作點向Qp+dQV+dQi點移動，然後就持續沿著幾乎為直線的NDR曲線移動到Qp點，完成一個振盪週期後接下來便跟一開始所提及的一樣繼續穩定地持續這個週期。並且，雖然第5A圖中NDR曲線上的Q2點是其中一個NDR曲線和電路負載線相交點，
但Q2點只是Q1和Q3之間的暫態而不是穩定的狀態，因此操作點不會停留在此。
綜上所述，本發明係確實提供了一種第一次以多孔矽為材料製作之N型NDR曲線之室溫振盪器1，以利用多孔矽本身之材料特性使該室溫振盪器1具有可在室溫下操作之NDR特性，並能產生具有固定頻率之振盪波形，而且振盪之波形具有12.4V的振幅和101.3kHz的頻率，又能具有穩定且高達7.9的峰谷電流比。並且，該室溫振盪器1內之該二極體11係為矽為材料基底，因此也能與現今主流之矽基VLSI做高度整合性。
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
Claims (9)
- 一種室溫振盪器，其特徵在於：該室溫振盪器具有一二極體，該二極體係由一多孔矽結構和二電極層所組成，該等電極層係分別設於該多孔矽結構兩端，而該多孔矽結構係為一矽基板上形成有複數高孔隙率層和複數低孔隙率層，且該等高孔隙率層與該等低孔隙率層係為間隔設置之結構，而該矽基板內係具有複數摻雜物，且摻雜濃度從該矽基板頂部向下隨著深度不同而有週期性高低變化，再利用一蝕刻溶液在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層；其中，當該二極體被供以一偏置電源時，該二極體兩端之電壓會在二電壓值間振盪，進而使該室溫振盪器產生固定頻率之穩定振盪波形。
- 如申請專利範圍第1項所述之室溫振盪器，其中，該偏置電源係為一固定電流。
- 如申請專利範圍第2項所述之室溫振盪器，其中，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電流在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
- 如申請專利範圍第2項所述之室溫振盪器，其中，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電壓在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
- 如申請專利範圍第2項所述之室溫振盪器，其中，利用一蝕刻溶液和具有週期性亮暗變化之一光源進行照光，以在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
- 如申請專利範圍第1項所述之室溫振盪器，其中，該偏置電源係為一固定電壓。
- 如申請專利範圍第6項所述之室溫振盪器，其中，用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電流在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
- 如申請專利範圍第6項所述之室溫振盪器，其中，利用一蝕刻溶液和具有週期性高低變化之一電壓在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
- 如申請專利範圍第6項所述之室溫振盪器，其中，利用一蝕刻溶液和具有週期性亮暗變化之一光源進行照光，以在該矽基板上進行陽極氧化蝕刻而形成該等高孔隙率層與該等低孔隙率層。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW106145294A TWI638452B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Room temperature oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW106145294A TWI638452B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Room temperature oscillator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI638452B true TWI638452B (zh) | 2018-10-11 |
| TW201929228A TW201929228A (zh) | 2019-07-16 |
Family
ID=64802873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW106145294A TWI638452B (zh) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Room temperature oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI638452B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW340977B (en) * | 1997-09-12 | 1998-09-21 | Nat Science Council | The producing method for porous silicon superlattice NDR diodes |
| US20020130311A1 (en) * | 2000-08-22 | 2002-09-19 | Lieber Charles M. | Doped elongated semiconductors, growing such semiconductors, devices including such semiconductors and fabricating such devices |
| US20090158859A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Siargo Ltd. | Micromachined Thermal Mass Flow Sensor With Self-Cleaning Capability And Methods Of Making the Same |
| US20120274410A1 (en) * | 2009-12-25 | 2012-11-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Oscillator |
| US20130181782A1 (en) * | 2009-03-27 | 2013-07-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Oscillator |
-
2017
- 2017-12-22 TW TW106145294A patent/TWI638452B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW340977B (en) * | 1997-09-12 | 1998-09-21 | Nat Science Council | The producing method for porous silicon superlattice NDR diodes |
| US20020130311A1 (en) * | 2000-08-22 | 2002-09-19 | Lieber Charles M. | Doped elongated semiconductors, growing such semiconductors, devices including such semiconductors and fabricating such devices |
| US20090158859A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Siargo Ltd. | Micromachined Thermal Mass Flow Sensor With Self-Cleaning Capability And Methods Of Making the Same |
| US20130181782A1 (en) * | 2009-03-27 | 2013-07-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Oscillator |
| US20120274410A1 (en) * | 2009-12-25 | 2012-11-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Oscillator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201929228A (zh) | 2019-07-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kang et al. | Stable field emission from nanoporous silicon carbide | |
| JP2017076730A5 (zh) | ||
| US9324534B2 (en) | Cold field electron emitters based on silicon carbide structures | |
| US7978742B1 (en) | Methods for operating diode lasers | |
| Zhang et al. | The transition mechanism from a symmetric single period discharge to a period-doubling discharge in atmospheric helium dielectric-barrier discharge | |
| TWI638452B (zh) | Room temperature oscillator | |
| Noormohammadi et al. | Structural engineering of nanoporous alumina by direct cooling the barrier layer during the aluminum hard anodization | |
| CN104835859B (zh) | 可偏置类混频GaAs基太赫兹肖特基二极管 | |
| Sugita et al. | Fabrication of pores in a silicon carbide wafer by electrochemical etching with a glassy-carbon needle electrode | |
| Van Den Meerakker et al. | Anodic silicon etching; the formation of uniform arrays of macropores or nanowires | |
| Li et al. | A tunable liquid metal electronic oscillator as a DC–AC converter | |
| CN104118842A (zh) | 碳化硅介孔阵列材料及其制备方法 | |
| JP4945643B2 (ja) | 金属−絶縁体転移素子基盤の発振回路、及びその発振回路の駆動方法 | |
| Leroy et al. | Generation of electrical self-oscillations in two-terminal switching devices based on the insulator-to-metal phase transition of VO2 thin films | |
| Viktorov et al. | Dynamics of a two-state quantum dot laser with saturable absorber | |
| Sevik et al. | Gunn oscillations in GaN channels | |
| Kishida et al. | Room-temperature current oscillation based on negative differential resistance in a one-dimensional organic charge-transfer complex | |
| Chai et al. | Tunable electrochemical oscillation and regular 3D nanopore arrays of InP | |
| Zhang et al. | Transferring porous layer from InP wafer based on the disturbance | |
| KR100842296B1 (ko) | 금속-절연체 전이(ｍｉｔ) 소자 기반의 발진 회로 및 그발진 회로의 발진 주파수 조절방법 | |
| Golubkov et al. | The study of characteristics of an electron beam formed by silicon carbide field emission cathode | |
| Lauwens et al. | Superconductor-semiconductor hybrid capacitance with a nonlinear charge–voltage profile | |
| Klimenko et al. | Synchronisation of dynamic chaos in counterpropagating ring-laser waves | |
| JP6705151B2 (ja) | 原子発振器 | |
| JP2009055570A (ja) | 電圧制御発振器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |