Oscilador de Terahertz de diodo de

tunelamento ressonante de temperatura

ambiente baseado em tecnologia de

semiconductor de crescimento epitaxial

precisamente controlado

Seminário 1

Room-temperature Resonant-tunneling-diode Terahertz Oscillator Based on

Precisely Controlled Semiconductor Epitaxial Growth Technology

Original:

Profa. R. Ragi

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Autores

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Introdução

O diodo de tunelamento ressonante (RTD) é um dispositivo semicondutor que usa o fenômeno de tunelamento quântico.

Seu princípio de funcionamento é baseado no fenômeno de tunelamento ressonante proposto por Tsu e Esaki em 1973.

Os perfis de banda de condução de um RTD convencional e a sua relação com as características corrente-tensão serão estudados em seguida. O caso de polarização zero é mostrado na abaixo.

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IntroduçãoAs camadas ativas do RTD consistem de uma estrutura de dupla barreira (DB), onde uma camada de poço quântico não-dopado é sanduichada entre duas camadas de barreira não-dopada.

Devido ao uso do comportamento quântico dos portadores, cada camada da estrutura DB é geralmente da ordem de nm de espessura.

As camadas da DB estão conectadas com as regiões de contato do emissor e do coletor fortemente dopado preenchido com elétrons. Níveis discretos quase ligados ou níveis ressonantes são formados na camada de poço. Na fig. (A), o nível mais baixo de ressonância é indicado.

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ctt cttd0 d4d1 d3d2

poço de potencial

material dopado

material dopado

cam

ada

não

-do

pad

a

cam

ada

não

-do

pad

a

bar

reir

a d

e p

ote

nci

al

bar

reir

a d

e p

ote

nci

al

Esquema de estrutura geral de RTD

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n+ - GaAs0,5 μm

Al0,25Ga0,75As

40 Å

In0,08Ga0,92As

50 Å

Al0,25Ga0,75As

40 Å

M. A. Reed et al, Observation of Discrete Electronic States in a Zero-Dimensional Semiconductor Nanostructure, PhysicalReview Letters, 60, 6, 1988.

(space layer)

GaAs

100 Å

(space layer)

GaAs

100 Å

n+ - GaAs0,5 μm

Interface: GaAs/Al0,25Ga0,75As Interface: Al0,25Ga0,75As/In0,08Ga0,92As

IntroduçãoÀ medida que a tensão de polarização aumenta, elétrons fluem do emissor para o coletor através do nível de ressonância.

A corrente aumenta quase linearmente até que o fundo da banda de condução do emissor ultrapasse o nível de ressonância, como mostrado na fig. (B).

8

IntroduçãoUm aumento adicional na tensão de polarização provoca uma queda acentuada da corrente, porque o nível de ressonância cai abaixo do fundo banda de condução do emissor, como mostrado na fig. (C).

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Introdução

A característica corrente-tensão figura na abaixo exibe o diferencial de condutância negativo (NDC), que é um das características fundamentais dos RTDs.

A relação entre corrente de pico e corrente de vale (IP/IV) na acima é chamada de razão de pico- vale (RPV) e é uma das figuras de mérito dos RTDs.

Uma aplicação prática dos dispositivos que apresentam NDC é um oscilador de alta frequência, que pode ser construído conectando-se um dispositivo NDC a ressoadores externos. 10

IntroduçãoA estrutura do oscilador fundamental utilizado neste trabalho, que tem um RTD integrado com uma antena slot[2], é mostrada abaixo.

O RTD com NDC fornece o ganho necessário para a oscilação.

O slot forma uma onda estacionária do campo eletromagnético como um ressoador e também atua como uma antena irradiando potência de saída, ao mesmo tempo.

Estrutura fundamental do oscilador RTD integrado com antena slot11

Introdução

O circuito equivalente para a estrutura em (a) é mostrado em (b).

Aqui, alguns dos elementos parasitas, tais como resistências de contacto foram omitidos.

Oscilação ocorre se Gd > GL, ou seja, se o valor absoluto da NDC exceder a perda de radiação da antena slot.

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Introdução

A frequência de oscilação é determinada pela ressonância em paralelo de L e Cna figura em (b) correspondente à onda estacionária mostrada (a), onde L é a indutância dominantemente produzida pela antena, e C a capacitância produzida pelo RTD e pela antena.

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Introdução

A operação do RTD em alta velocidade é baseada em algumas das características fundamentais dos RTD´s.

Um deles é o tempo curto de tunelamento ressonante, que corresponde ao tempo de tunelamento quântico de um elétron atravessando a estrutura de DB; esta quantidade é estimada para ser da ordem de PS ou menos.

Outra é a tempo curto de carregamento da sua capacitância própria.

A alta densidade de corrente do RTD acima de 1×105 A/cm2 e sua capacitância comparativamente baixa, efetivamente reduz o tempo de carregamento.

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IntroduçãoEstas são as principais características que distinguem os RTD´s dos outros dispositivos de NDC, tais como díodo Esaki onde a alta densidade de corrente está associada com a alta dopagem na região ativa, o que aumenta significativamente a sua capacitância e tempo de carga.

Tais características excelentes do RTD indicou que osciladores de RTD poderiam operar em frequências nunca alcançadas por outros dispositivos semicondutores.

A primeira demonstração de um oscilador RTD foi relatada por Sollner em 1984 para RTDs de GaAs /AlGaAs, para os quais a frequência de oscilação foi de 18 GHz a 200 K [3].

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Introdução

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Introdução

17

Introdução

18

Introdução

A frequência de oscilação atingiu 712 GHz na temperatura ambiente em 91 com RTDs de InAs/AlSb.

19

Introdução

20

Recentemente, o intervalo de sub-terahertz (sub-THz) e terahertz (THz) têm atraído muito interesse, uma vez que existem várias aplicações práticas, entre elas comunicações de banda larga sem fio, segurança e imagem.

Embora as exigências de dispositivos operando a temperatura ambiente na faixa de sub-THz e THz tenha aumentado, nenhum aumento na frequência de oscilação de RTDs foi notificada até 2009.

Operação à temperatura ambiente na faixa de THz ainda não tinha sido atingido por nenhum outro dispositivo.

Introdução

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Nippon Telegraph and Telephone Corporation, conhecida como NTT, é uma empresa de

telecomunicações japonesa com sede em Tóquio, no Japão. NTT é a maior empresa de

telecomunicações da Ásia, e a segunda maior do mundo em termos de receita.

O Instituto de Tecnologia de Tóquio é uma universidade de pesquisa pública localizada na grande área de Tokyo, Japão. Tokyo Tech é a maior instituição de ensino superior no Japão dedicado à ciência e tecnologia.

O NTT Photonics Laboratories e Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) têm colaborado com o desenvolvimento de osciladores de RTD operando em THz desde 2007.

IntroduçãoO NTT tem desenvolvido uma técnica precisamente controlada de crescimento epitaxial para obter heteroestruturas semicondutoras ultrafinas de alta qualidade.

Tokyo Tech tem desenvolvido o projeto e a tecnologia de microfabricação de osciladores RTD que operem na faixa de sub-THz a THz.

Em 2009, estes dois grupos relataram um recorde no valor da oscilação fundamental, em 831 GHz .

Em 2011, o grupo conseguiu bem sucedidamente estender a frequência de oscilação fundamental para acima de THz à temperatura ambiente

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Introdução

Neste estudo será apresentado as tecnologias essenciais para esta realização.

A tecnologia de crescimento epitaxial precisamente controlada de semicondutores desenvolvida no NTT e sua aplicação em dispositivos eletrônicos ultra-rápidos são descritos.

O projeto e a tecnologia de microfabricação para os osciladores RTD desenvolvidos pelo Tokyo Tech também são apresentados.

Finalmente, a abordagem para oscilação em THz e sua demonstração experimental também são mostrados.

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Motivação

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Wi-Fi com raios T mais próximo da realidadehttp://www.projetoderedes.com.br/blognews/2012/05/wi-fi-com-raios-t-mais-proximo-da-realidade/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=wi-fi-com-raios-t-mais-proximo-da-realidade - 19 de maio de 2012 Radiação terahertzPesquisadores japoneses bateram o recorde de transmissão de dados sem fios na faixa dos terahertz, uma parte ainda inexplorada do espectro eletromagnético.A taxa de dados alcançada é 20 vezes maior do que o melhor padrão wi-fi.A banda dos raios T fica entre as micro-ondas e o infravermelho distante – 1 THz equivale a 1.000 GHz.Os raios T, ou radiação terahertz, vêm sendo considerados como altamente promissores para o uso biomédico, eventualmente substituindo os raios X – apesar do nome “radiação terahertz”, trata-se de uma radiação não-ionizante.Em 2007, pesquisadores demonstraram pela primeira vez que os raios T poderiam ser usados também para a transmissão digital de dados.Desde então tem havido uma procura frenética pelo desenvolvimento de geradores de radiação terahertz e de antenas capazes de captá-la.

Motivação

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O experimento foi possível graças a um componente de 1 milímetro quadrado, chamado diodo-túnel, ou diodo de tunelamento ressonante (branco, sobre o suporte metálico).Imagem: Tokyo Institute of Technology.Quase terahertzPor enquanto, os trabalhos na transmissão de dados na faixa dos terahertz têm adotado uma especificação mais folgada, que vai dos 300 GHz até os 3 THz. Nenhuma agência de telecomunicação até agora regulamentou a faixa dos THz.Apesar de teoricamente suportar taxas de transferência de dados de até 100 Gb/s –15 vezes mais do que o wi-fi de próxima geração, que ainda está em fase de especificação – o “wi-fi terahertz” provavelmente terá um alcance mais limitado, por volta dos 10 metros.Neste trabalho mais recente, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio demonstraram uma taxa de transmissão de 3 Gb/s a 542 GHz.Ou seja, eles estão a meio-caminho dos raios T – o que é muito, considerando-se que é uma tecnologia com poucos anos de desenvolvimento.

Motivação

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Diodo-túnelO experimento foi possível graças a um componente de 1 milímetro quadrado,chamado um diodo de tunelamento ressonante, ou RTD (Resonant Tunnelling Diode).Diodos-túnel têm a característica incomum de que a tensão que produzem podealgumas vezes diminuir quando a corrente aumenta.Eles são projetados de tal forma que este processo faz com que o diodo entre emressonância, emitindo ondas de frequência muito alta – teoricamente, de váriosterahertz.Os pesquisadores japoneses afirmam que o próximo passo da pesquisa é justamenteaproximar a prática dessa teoria, entrando finalmente no regime efetivo dos terahertz.Antes de qualquer uso prático, será necessário também aumentar a potência docomponente.

Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

(Parte II)

Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

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A configuração atômica ideal de uma heterointerface semicondutora III-V é mostrado esquematicamente na fig. 3 (a).

A estrutura de uma DB de um RTD consiste de uma heterointerface entre barreira e poço quântico.

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Cristal de boa qualidade para tais heteroestruturas é essencial para dispositivos semicondutores modernos, tais como os transistores de alta velocidade, lasers, de fotodiodos, para produzir alto desempenho.

Por exemplo, excelente aspereza da camada de composição é necessária em dispositivos reais para formar um perfil de banda ideal.

Na fig. 3 (a), a composição atômica muda abruptamente na interface, e não há nenhuma mistura de camada em torno da interface.

O controle da espessura da camada da ordem de nm ou menos, também é necessário.

Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

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Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

Além disso, o nivelamento da heterointerface é igualmente importante para o desempenho do dispositivo uma vez que heterointerfaces reais, muitas vezes incluem uma alta densidade de passos de monocamada, que muitas vezes afeta o transporte de corrente.

Estas heteroestruturas semicondutores III-V são normalmente fabricadas através de uma técnica de crescimento epitaxial, tal como epitaxia de feixes moleculares (MBE) ou epitaxia de fase de vapor metalorgânicos (MOVPE), nas quais as camadas semicondutoras epitaxiais são crescidas por deposição de materiais-fonte em substratos.

No NTT Photonics Labs, MOVPE é desenvolvido principalmente para dispositivos semicondutores avançados para sistemas de comunicação de banda larga.

Em MOVPE, metais orgânicos e hidretos são utilizados como precursores e fornecidos ao substrato durante o crescimento epitaxial.

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Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

HAADF STEM image of InP/InAlAs heterointerface in an InP-based HEMT

Para a fabricação de heteroestruturas de alta qualidade, o controle de fornecimento de precursor de comutação é um dos processos principais.

NTT tem desenvolvido tais técnicas chave e fabricado heteroestruturas de alta qualidade para dispositivos práticos.

Imagens de microscópio eletrônico de varredura com transmissão por campo escuro anular em alto ângulo (STEM – HAADF) da heterointerface InP / InAlAs em um transistor alta mobilidade eletrônica (HEMT) baseado em InP desenvolvido no NTT é mostrado na fig. 3 (b).

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Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

HAADF STEM image of InP/InAlAs heterointerface in an InP-based HEMT

A estrutura da camada HEMT é mostrada na fig. 3 (c).

Na fig. 3 (b), cada ponto brilhante corresponde a um átomo do grupo III ou do grupo V.

Deve notar-se que o brilho dos pontos correspondentes ao grupo de átomos V muda abruptamente na interface, o que significa que a distribuição de átomos do grupo V muda abruptamente de arsênico para fósforo.

Esta imagem STEM – HAADF demonstra o excelente controle de brusquidão (abruptness) composicional na heterointerface.

A aspereza proporciona corrosão úmida de alta seletividade no processo de fabricação do dispositivo, e contribui para as excelentes características do dispositivo.

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Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

Circuitos integrados de HEMT baseado em InP fabricados através da tecnologia MOVPE têm sido usados em sistema de comunicação de banda larga sem fio de 20 GHz [9].

NTT tem aplicado essas técnicas de crescimento epitaxial para a fabricação RTDs de alto desempenho.

Usamos estruturas baseadas em InP de DB de InGaAs/AlAs porque a grande descontinuidade na banda de condução entre InGaAs e AlAs é benéfica para se obter um grande PVR.

Oscilação na região de THz requer uma densidade de corrente de pico (JP) de cerca de around 1× 106 A/cm2 ou mais com uma grande PVR.

Hoje em dia é possível um preciso controle da espessura da barreira em torno nm e a formação de heterointerfaces de alta qualidade com excelente aspereza composicional e nivelamento

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Crescimento epitaxial precisamente controlado de semicondutores para heteroestruturas ultrafinas em

dispositivos eletrônicos ultra-rápidos

Um exemplo de uma imagem de um TEM de uma seção transversal de um RTD é mostrado na fig. 4.

A imagem mostra a uniformidade de 1,2 nm da espessura da barreiras e a lisura da heterointerfaces.

Foi também confirmado excelente uniformidade on-wafer sobre uma bolacha de 3 polegadas, onde flutuações na espessura da barreira foi estimado em cerca de ± 0,1 monocamadas.

Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Parte (III)

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Os desenhos esquemáticos e as imagens de microscópio de um oscilador RTD real integrado com uma antena slot são mostrados na Fig. 5 (a).

As estruturas são baseadas em tecnologia avançada de microfabricação de semicondutores da Tokyo Tech.

Os eletrodos do RTD são conectados a eletrodos da esquerda e direita da antena.

Em ambas as extremidades da antena, os eletrodos são sobrepostos com uma camada de SiO2 entre eles.

Esta estrutura forma refletores de ondas electromagnéticas de alta frequência, e separação de polarização DC é obtida ao mesmo tempo.

Um resistor feito de película de bismuto é ligado em paralelo do lado de fora dos eletrodos da antena para eliminar a oscilação parasitária causada pela ressonância formada por circuitos externos, incluindo o fornecimento de linhas de polarização.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Uma imagem da secção transversal do oscilador RTD é mostrada na Fig. 5 (b).

A área da mesa do emissor RTD é de cerca de 1 um2 ou menos.

A área da mesa do emissor e o comprimento da antena slot são os principais parâmetros estruturais que determinam a frequência de oscilação e foram cuidadosamente projetados para aumentar a frequência de oscilação.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Temos aperfeiçoado a estrutura de camada do RTD a fim de estender a frequência de oscilação para além da faixa de THz.

A dependência dos parâmetros estruturais das características do RTD, tais como o efeito de redução da espessura da barreira, têm sido investigadas para se obter elevada JP e reduzir o tempo de tunelamento ressonante.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Além disso, a nossa investigação anterior revelou que a redução da tensão de polarização de operação do oscilador é importante a fim de reduzir o tempo de trânsito dos elétrons na região de depleção do coletor porque uma baixa tensão de polarização de operação deve suprimir transições eletrônicas do vale Γ para o vale L, o que leva a uma diminuição na velocidade de elétrons.

Para reduzir a tensão de polarização de operação, foi proposta uma nova estrutura de RTD com um emissor não dopado gradual.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Os perfis de bandas de condução das regiões DB em osciladores de RTD, com e sem um emissor graduado em torno da tensão de polarização de operação é mostrada na fig. 6.

Inserindo um emissor gradual, o qual consiste de InGaAs rico em Ga e formas de potencial degrau no lado emissor da estrutura de DB, efetivamente reduz a tensão de polarização de operação. Foi examinada a eficácia da redução da espessura da barreira e a inserção de um emissor gradual.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

Um exemplo de característica corrente-tensão do presente RTD com barreiras de 1,2 nm de espessura e um emissor gradual é mostrado na fig. 7.

Temos bem sucedidamente obtido uma JP de 2.4 × 106 A/cm2 com uma PVR de 2 sob uma tensão de polarização comparativamente baixa de 0,8 V.

De nosso conhecimento, este é o maior valor já registrado de JP.

A característica corrente-tensão indica a formação de barreiras ultrafinas de alta qualidade e heterointerfaces.

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Oscilação fundamental acima de 1 THz à temperatura ambiente

O espectro medido do oscilador RTD para oscilação fundamental em 1.04 THz, a qual é a frequência de oscilação mais alta já reportada em um único dispositivo de estado sólido operando à temperatura ambiente, é mostrado na fig. 8.

A potência de saída foi de 7 μW.

Maior otimização dos parâmetros estruturais deve permitir o aumento da frequência de oscilação e potência de saída para atender a demanda por dispositivos compactos de THz.

Diodos Gunn e diodo varactor

Parte (IV)

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Diodos Gunn

O diodo Gunn tem uma característica bastante particular: é construído apenas com semicondutor tipo N, ao contrário dos demais diodos PN.

Na realidade, é um oscilador de microondas.

É assim denominado em homenagem a J. Gunn, descobridor do efeito da geração de microondas por semicondutores tipo N em 1963.

São construídos em três camadas conforme indicado na figura acima.

A camada central tem um nível de dopagem menor.

O dispositivo exibe característica de resistência negativa conforme gráfico (c) da mesma figura.

O material semicondutor pode ser arseneto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para frequências mais elevadas.

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Diodos Gunn

Podem oscilar em frequências de cerca de 5 GHz até cerca de 140 GHz.

Em geral são fornecidos como parte de um conjunto oscilador conforme a figura (d).

(b) é o circuito equivalente do diodo oscilante na cavidade.

A frequência gerada por um diodo Gunn depende principalmente da espessura da camada ativa.

Entretanto, dentro de certos limites, ela pode ser ajustada pela ressonância da cavidade.

Na figura citada, isso é dado pela haste de sintonia.

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Diodos varactor

Conforme visto no primeiro tópico da página anterior, um diodo de junção inversamente polarizado apresenta uma região de depleção entre as camadas P e N.

A espessura dessa região aumenta com o aumento da polarização inversa e ela quase não conduz (como um dielétrico), ou seja, um diodo inversamente polarizado pode funcionar como um capacitor, cuja capacitância varia de acordo com a tensão aplicada. Ver Fig. 01(a)

Conhecidos também pelo nome varicap, tais diodos são basicamente diodos de junção construídos especificamente para funcionar como capacitores variáveis.

Sintonia de circuitos é a principal aplicação.

O gráfico (b) da Figura 01 uma variação capacitância x tensão inversa típica. Em (c), símbolos usuais para diagramas.

Em (d), exemplo da sintonia com varactor de um circuito ressonante para uso em osciladores.

Conclusões

Parte (V)

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Conclusões

NTT e Tokyo Tech têm tido grande sucesso em seu desenvolvimento colaborativo de osciladores RTD de THz.

Usando crescimento epitaxial de semicondutores precisamente controla -do e tecnologias de microfabricação, tem-se conseguido oscilações fundamentais acima THz à temperatura ambiente através da otimização da estrutura de camadas do RTD.

Novos aumentos na frequência de oscilação e potência de saída são esperados através de um maior aperfeiçoamento das estruturas do oscilador, que deve levar a uma prática e compacta fonte de luz de THz em temperatura ambiente.

ApêndiceANTENA SLOT VHF - UHF

Ideal para transmissão de sinais de TV das bandas III (VHF), IV e V (UHF).Seu projeto, baseia-se no conceito de fendas irradiantes, distribuídas e alinhadas verticalmente ao longo da linha coaxial que compõe o corpo da antena, resultando num sinal irradiado omnidirecional.O sistema de aletas refletoras adequadamente posicionadas, permite o ajuste do diagrama de irradiação para obtenção de vários tipos de cobertura horizontal a fim de atender necessidades específicas, além de controlar o ganho em potência.Verticalmente, pode-se controlar o diagrama e ganho, variando para tanto o número de bays. A antena Slot em sua configuração básica para a Banda III (VHF) apresenta 2 e 4 fendas e para as bandas IV e V (UHF) 4 fendas em cada bay.

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Apêndice

SLOT ANTENAS horizontal, SETORIAIS e OMNI EMCTESTAntenas Slot setoriais e Omni profissionais de elevada performance para conexões a longa distância em banda larga. Representa uma solução ideal para Provedores na distribuçao de Internet Sem Fios (WISP) e conexões ponto a ponto ou ponto multiponto de elevada capacidade.A antena é interamente projetada em desenho CAD. E' realizada em aluminio cortado laser e tratado com pintura epoxi RAL cor branco, resistente a ventos e intemperies como oxidacoes por marezias ou zinabres.Sua montagem e ùnica no Brasil usando a tecnologia co-linear de combinaçao de 8-16-32 SLOT (antenas) em guia-onda que promove um ganho superior tanto na emissao quanto na recepçao do que qualquer antena o setorial em polarização Horizontal existente no mercado!!.A antena trabalha em polarização horizontal. Embora sua polarização seja horizontal ela é montada na vertical. Somente antenas posicionadas como polarização horizontal terão capacidade de transmitir e receber sinais com a antena de Slot evitando as interferências indesejadas em polarização vertical.

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