[发明专利]用光电导宽带隙半导体作可变电阻器来调制电信号的系统和方法

说明书

临时申请的优先权

本申请要求2009年4月17日由John R.Harris等人提交的题为“Radiation-modulated Photoconductive Device and System”的美国临时申请第61/045924号的权利，并将其内容通过引用结合于此。

联邦政府资助的研究或开发

根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间针对劳伦斯利弗莫尔国家实验室的运作的第DE-AC52-07NA27344号合同，美国政府对本发明享有权利。

技术领域

本发明涉及通常用作固态开关的光电导宽带隙半导体材料，尤其涉及使用光电导宽带隙半导体材料作为工作在非雪崩模式下的可变电阻器，来产生经调制的电信号以用于例如微波传输或调制带电粒子束之类的高频调制应用中。

背景技术

宽带隙半导体是具有高击穿电压的材料，因此经常被作为用于高温的固态开关和涉及大电场的功率开关应用来使用。虽然被认为是“宽”的带隙范围的准确阈值常取决于应用，但是宽带隙半导体材料通常被认为是带隙大于大约1.6或1.7eV的那些半导体材料。而且，这样的宽带隙材料已知是光电导的，也就是说具有响应光照来增大电导率的特性。示例类型包括：碳化硅、氮化铝、氮化镓、氮化硼以及金刚石。尤其是氮化镓和碳化硅是广泛所知的非常适于这种开关应用的耐用材料。

已知各种脉冲功率应用使用这样的光电导宽带隙半导体材料(以下称为“PWBSM”)来作为光电导固态开关(PCS)。用作PCS的典型材料是硅或砷化镓，但由于有限的光电流电流容量，需要工作在雪崩或所谓的高增益模式下来产生可用的能级。在雪崩模式操作中，装置是双稳态的(即，无论是“关闭”或是“开启”)并且被光学地触发“开启”和保持“锁定”直到电流停止。

使用脉冲功率的一个示例应用是在高功率微波发生领域中，这样的光电导材料也被用作光电导固态开关。然而，由于它们工作在雪崩模式下，所以会产生宽带低辐射能、会成为非实时适应、并会引起通信自相抵消。由于有效能量辐射主要发生在脉冲过渡期间，所以光谱能量含量低。值得注意的是，传统高能微波源已是调速管之类的真空电子装置。替代方法包括非线性传输线。这些技术都具有固有的问题。真空电子装置往往笨重且昂贵，而非线性传输线取决于常常难以获得且特性不佳的专门材料。

发明内容

本发明的一个方面包括用于生成经调制的电信号的系统，该系统包括：含有光电导宽带隙半导体材料的可变电阻器，该光电导宽带隙半导体材料对入射辐射的幅度变化的电导响应在该半导体材料电导响应的整个非饱和区内实质为线性，从而使该可变电阻器能够工作在非雪崩模式下；调制辐射源，用来生成调幅辐射以直接照射到可变电阻器上并对该可变电阻器的电导响应进行调制；以及电压源和输出端口，二者都可操作地连接到可变电阻器，使得通过可变电阻器在输出端口处生成的电信号被可变电阻器进行调制，从而使该电信号具有与调幅辐射实质相似的波形。

本发明的另一方面包括生成经调制的电信号的方法，该方法包括：提供电压源、输出端口以及可操作地连接到该电压源和输出端口的可变电阻器，使得通过可变电阻器来在输出端口处产生电信号，所述可变电阻器包括光电导宽带隙半导体材料，其对入射辐射幅度变化的电导响应在电导响应的整个非饱和区内实质为线性，从而使该可变电阻器能够工作在非雪崩模式下；将调制辐射源所生成的调幅辐射直接照射到可变电阻器上以对该可变电阻器的电导响应进行调制，从而由可变电阻器对在输出端口处生成的电信号进行调制，以使该电信号具有与调幅辐射实质相似的波形。

本发明的另一方面包括光电导调制的可变电阻器装置，该装置包括：光电导宽带隙半导体材料(PWBSM)，其对入射辐射的幅度变化的电导响应在其整个非饱和区内实质为线性，从而该PWBSM作为可变电阻器能够工作在非雪崩模式下；以及调制辐射源，用来生成调幅辐射以直接照射到该PWBSM上，以使由此引起的PWBSM中的电导响应具有与调幅辐射实质相似的波形。