Нелинейное взаимодействие модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых фотоприемниках

Современное развитие телекоммуникационных систем передачи информации вызвало большой интерес к исследованиям, направленным на увеличение быстродействия элементной базы. В настоящее время микроволновые системы работают практически на пределе своей пропускной способности, и какое-либо улучшение передающих характеристик этих систем затруднительно, чего нельзя сказать о системах оптической связи, перспективы развития которой огромны. Ряд фирм и университетов (Германии, США, Японии, Швейцарии и др.) в рамках приоритетных национальных программ ведут интенсивные исследования по созданию основных компонентов оптических систем со скоростью передачи информационных сигналов в диапазоне 20 -100 Гбит/с. В России такие исследования проводятся, в частности, в ИРЭ РАН (Институт радиотехники и электроники РАН), Физико-техническом институте (Санкт-Петербург), НИИ «Сапфир», «Пульсар» (Москва) и др.

Более чем за двадцатилетний период техника оптической связи стала конкурентоспособной, причем источники и каналы передачи существенно изменились, в то время как приемные устройства не претерпели значительных усовершенствований.

Аналогичная ситуация прослеживается и в теоретическом плане, где большая часть публикаций посвящена разработкам волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), различным излучающим, модулирующим элементам, устройствам уплотнения и формирования сигналов для передатчиков самого различного назначения и в этой области имеется определенный успех, особенно для лазерных систем. Значительно меньше изученным остается вопрос приема оптических сигналов, хотя фотоприемник и является важнейшим компонентом такой системы.

Известно, что прием оптического сигнала ведется устройствами, основу которых составляет фотоприемный элемент, определяющий качество принимаемого сигнала, дальность связи и быстродействие. При этом наиболее простые из фотоэлементов — фоторезисторы (ФР) практически полностью вытесняются приборами на основе р-ппереходов и приборов на основе использования объема полупроводника. Сегодня активно исследуются и применяются различные полупроводниковые р-пи р-г-пфотодиоды, которые обладают большим быстродействием, диоды с барьером Шоттки (ДБШ), совершенные для ряда применений лавинные фотодиоды (ЛФД) с внутренним умножением носителей в сильном электрическом поле, диоды Ганна (ДГ), МПМ — фотодиодные структуры, различные типы фототранзисторов (ФТ) (обладающие большей, по сравнению с обычными фотодиодами (ФД), чувствительностью, благодаря усилению фототока), а также лавинные фототранзисторы (ЛФТ) (в которых помимо усиления тока осуществляется дополнительное увеличение числа носителей за счет умножения их в обратносмещенном р-пколлекторе, аналогично ЛФД), различные полевые транзисторы (ПТ), однако реально используются только ФД, /ы-и-фотодиоды и ЛФД. Тем не менее, использование и ряда нетрадиционных полупроводниковых приборов приводит к решению важных задач реализации систем многоканальной оптической связи.

Принципиальное отличие нового этапа в разработке фотоприемных элементов состоит в том, что физическое проектирование переводится на новый, молекулярный уровень и объектом проектирования становится сам полупроводниковый материал и эффекты более высокого порядка. Именно такая методика позволяет решить задачу достижения требуемой чувствительности, избирательности и одновременно минимизации коэффициента шума за счет резкой асимметрии эффективных коэффициентов ионизации (например, в рч-пи ЛФД), снижения влияния темнового тока и др.

В этом плане актуальными являются исследования процессов взаимодействия постоянных и переменных электрических полей в неоднородных полупроводниковых структурах, находящихся под воздействием модулированного светового потока, и использование на практике новых физических эффектов в полупроводниках, на основе которых разрабатываются новые классы фотоприемников и совершенствуются приборы преобразования и выделения оптических сигналов.

Традиционным в таких исследованиях до настоящего времени следует считать подход, основанный на предположении, что характер взаимодействия электрического поля и информационного оптического излучения в объеме полупроводника и на различных ¿-«-^-переходах и контактах определяется в основном электрическими свойствами полупроводниковых структур, параметры которых зависят от технологических особенностей их создания, а также изменяются в результате воздействия температуры, постоянного электрического поля и мощности светового потока в полосе собственного или примесного поглощения.

Поведение различных полупроводниковых структур под воздействием светового потока в спектре поглощения в присутствии переменного электрического поля имеет свою специфику. Учет ряда эффектов оказывается существенным при анализе использования различного типа приборов при определении условий их эксплуатации и областей применения.

Использование этих эффектов позволяет создавать фотоприемные элементы различного типа, а оптимизация их улучшает отдельные параметры и характеристики ряда оптических устройств.

Наименее изученным при этом остается вопрос анализа указанного взаимодействия с учетом сложного характера генерационно-рекомбинационных процессов, зависящих от параметров полупроводниковых структур, свойств р-п-переходов и материалов, уровня и характера воздействующих полей и сигналов.

Проведение таких исследований осложнено тем, что для строгого теоретического описания физических процессов, протекающих в таких неоднородных полупроводниковых структурах, в частности, для определения полного спектра протекающего тока, величин динамической фотопроводимости по каждой из гармонических и комбинационных составляющих с учетом различных законов рекомбинации носителей и оценки эффективности преобразования частоты модуляции света (с целью выделения полезного сигнала) оказывается необходимым решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, которая значительно усложняется в случае, когда рекомбинация идет через промежуточные уровни или сигнал носит импульсный характер.

При теоретическом описании и экспериментальных исследованиях необходимо не только рассмотреть физические процессы, протекающие в неоднородном полупроводниковом материале, но и решить сложные задачи по нахождению параметров рекомбинации генерированных светом носителей с учетом переменного во времени диффузионно-дрейфового характера их движения. По сравнению с вакуумными фотоприборами зависимость параметров полупроводниковых приборов от таких внешних факторов, как температура и освещение, проявляется гораздо более существенным образом из-за ярко выраженной зависимости от этих факторов свойств полупроводниковых материалов. Кроме того, характеристики полупроводниковых материалов и фотоприборов могут существенным образом зависеть от величины и ориентации оптических полей, кристаллической структуры, параметров внешнего воздействия и т. п., причем при экспериментальных исследованиях следует разделить влияние равновесных — тепловых носителей и носителей, генерированных полезной модуляцией светового сигнала.

Из анализа посвященных рассматриваемой проблеме работ следует, что до настоящего времени в большинстве случаев авторы, стремясь как можно более строго решить задачу обнаружения модуляции оптического сигнала, не учитывают эффекты преобразования частоты модуляции света и законы рекомбинации генерированных светом носителей заряда, зависящие не только от параметров полупроводниковых материалов, но и от характера оптического воздействия.

С другой стороны, при изучении указанных процессов, часто не учитывается сложный характер спектра полного тока, что приводит к существенно отличным (от радиотехнических вариантов) оценкам параметров и свойств фотоэлементов.

Такой односторонний подход к решению проблемы создания полупроводниковых фотоприемников, по мнению ряда авторов, привел к задержке на несколько лет разработки новых типов фотоэлементов, способных работать в многоканальных системах, использующих принципиально новые для оптики методы приема, достижения высокой чувствительности, технологической простоты, надежности, минимального веса, габаритов и цены.

В настоящей работе указанную проблему предполагается решить путем проведения теоретического анализа физических процессов, протекающих в неоднородных полупроводниковых структурах и материалах в локально-полевом приближении для определения полного спектра протекающего тока, определения величин динамической фотопроводимости по каждой из гармонических и комбинационных составляющих, с учетом различных законов рекомбинации носителей, оценки эффективности преобразования частоты модуляции света и определения реально достижимых параметров фотоэлементов, использующих эффекты оптико-полевого взаимодействия.

Проведение таких исследований позволяют выявить новые физические явления в неоднородных полупроводниковых материалах и приборах, создавать на их основе оптоэлектронные фотоприемные устройства, совмещающие функции селектора и смесителя, обладающие определенными преимуществам (цепи входного оптического сигнала и гетеродина разделены и не оказывают влияния друг на друга, отпадает проблема согласования фотоприемника и смесителя, конструкция таких приборов оказывается значительно технологичнее и проще), и, кроме того, способные решать задачи избирательного многоканального приема оптических сигналов.

В связи с перспективностью использования избирательных методов приема оптических сигналов по сравнению с методами прямого детектирования, оптического гетеродинного и гомодинного приемов представляется важным проведение исследований преобразовательных свойств различных неоднородных полупроводниковых структур и приборов на новом уровне, т. е. с учетом тех физических явлений, которые имеют место в таких фотоэлементах при оптико-полевом воздействии. Следовательно, при рассмотрении взаимодействия потока квантов с полупроводниковыми материалами в области собственного или примесного поглощения на основе теории столкновений, кроме параметров материала (подвижность носителей, среднее время жизни, длина свободного пробега, концентрации примесей и энергетические положения разрешенных зон и плотностью уровней энергии в них с вероятностью их заполнения и др.) необходимо учитывать поперечное сечении рекомбинации и зависимость его от скорости движения носителей, энергии и величин квазиимпульса и пр.

Построенные на основе неоднородных полупроводниковых структур фотоприемники (ФПр) при модуляции светового излучения поднесущими с АМ, ЧМ или ФМ потенциально могут работать, в различных режимах приема (гетеродинном, супергетеродинном, регенеративном и сверхрегенеративним, синхронном и асинхронном детектировании, реализуемых и в автодинных вариантах), которые сегодня практически не используются, и даже теоретические разработки не создают базы для развития данного направления как в многоканальных и телекоммуникационных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), так и в лазерных атмосферных и космических линиях связи (J1AJIC и JIKJIC). Их схемотехническая простота и в ряде случаев цена оправдают некоторые затраты на структурные преобразования систем выделения сигналов, что в значительной мере окупится применимостью методов во всем оптическом диапазоне, достижимыми параметрами и рядом технических преимуществ, в частности, улучшенными шумовыми характеристиками (теоретические оценки которых сегодня в технической литературе также практически отсутствуют), скрытностью, более высокой чувствительностью и др.

В связи с этим теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия модулированного светового потока, постоянного и переменного электрических полей в различных неоднородных полупроводниковых структурах с учетом различного характера законов рекомбинации, зависимости сечения рекомбинации от скорости и энергии носителей, возможности прямого и ловушечного механизмов рассеяния в зависимости от параметров внешнего воздействия, оценка и оптимизация параметров и характеристик с целью определения области применения эффектов представляется своевременным, актуальным и вполне обоснованным.

Большой вклад в развитие теории фотопроводимости и использования её для построения фотоприемных элементов и устройств внесли Л. Д. Ландау, Е. Лившиц,.

A.А.Гуткин, Д. Н. Наследов, С. М. Рывкин, Я. А. Федотов, Г. Е. Пикус, Ж. И. Алферов,.

B.С.Вавилов, В. К. Субашиев, Ю. И. Равич, Ю. В. Гуляев, Н. Б. Лукьянчикова, Г. А. Фомин, E.H.Putley, T.S.Moss, T.D.F.Hawkins, W. Shockley, U.S.Patent, R.H.Bube, Van Der Ziel, J.R.Biard, E.L.Bonin, W.N.Carr, G.E.Pitonan и др.

Исходя из вышеизложенного целью диссертационной работы является:

Разработка теоретических основ построения качественно нового класса избирательных полупроводниковых фотоприемных элементов и равитие методов приема оптических сигналов для многоканальных и телекоммуникационных систем связи и устройств для реализации этих методов. Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решение научной и прикладной проблемы исследования процессов нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых структурах, включающей в себя ряд взаимосвязанных вопросов, среди которых важнейшими являются:

1) Установление, в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований эффектов взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей с полупроводниковыми структурами, новых физических закономерностей, связанных с учетом :

— сложного характера взаимодействия света, постоянного и переменного электрических полей в широком классе полупроводниковых приборов и полупроводниковых структур, имеющих практическое применение;

— зависимости параметров рекомбинации носителей в полупроводниковых структурах при различных законах и видах рекомбинационных переходов от параметров оптического излучения и постоянного и переменного электрических полей;

— разработки и создания на основе упомянутых нелинейных эффектов новых типов избирательных фотоэлементов для фотоприемных устройств и оценка их основных параметров и характеристик;

2) Анализ существующих элементов, устройств и методов фотоприема с целью разработки принципиально новых решений, позволяющих упростить системы и устройства фотоприема, и пригодных для построения многоканальных и телекоммуникационных каналов оптической связи.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Развиты квазилинейные методы анализа процессов нелинейного взаимодействия модулированного света с постоянным и переменным электрическими полями в полупроводниковых структурах и материалах с учетом рекомбинационной нелинейности.

2. Теоретически и экспериментально исследован полный спектр тока, протекающего через нелинейные полупроводниковые структуры и фотоприборы при воздействии на них постоянного и переменного электрических полей и модулированного светового потока.

3. Теоретически и экспериментально исследованы процессы взаимодействия модулирующей поднесущей светового сигнала и переменного электрического поля в таких структурах, обладающих сложной рекомбинационной нелинейностью.

4. Теоретически и экспериментально исследованы процессы преобразования модулирующей поднесущей полезного сигнала в полупроводниковых структурах при квадратичном и линейном законах рекомбинации носителей и при варьируемой полем поперечном сечении рекомбинации.

5. Исследованы частотные характеристики фотоприемников модулирующей поднесущей при линейном и квадратичном законах рекомбинации носителей в случае импульсного режима работы.

6. Установлены зависимости параметров и характеристик приборов от параметров переменного электрического поля и светового потока.

7. Использованы эффекты нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых структурах и ряде приборов, содержащих различные переходы и контакты, включая и фотоприборы, для разработки новых методов и средств избирательного фотоприема.

8. Выявлены особенности взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в неоднородных полупроводниковых структурах и ряде приборов, проведен анализ шумовых и передаточных характеристик избирательных фотоэлементов, работающих при гетеродинном, супергетеродинном, регенеративном, сверхрегенеративном приеме, асинхронном детектировании.

9. Определены области применения предлагаемых избирательных фотоприемных элементов и эффектов оптико-полевого воздействия на неоднородные полупроводниковые материалы и приборы.

Научная новизна работы. Проведено теоретическое исследование процессов нелинейного взаимодействия модулированного света, постоянного и впервые переменного электрических полей в объеме полупроводниковых структур, с целью создания избирательных фотоприемных элементов и устройств. Разработаны обобщенные физические и математические модели процессов взаимодействия, пригодные для значительного класса полупроводниковых структур. Созданы теоретические предпосылки для проектирования фотоприемников многоканальных и телекоммуникационных оптических систем связи нового поколения. В указанном можно выделить следующие основные положения.

1. Проведен целенаправленный комплекс теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей в объеме полупроводниковых материалов и приборов по установлению новых физических закономерностей, связанных с учетом влияния сложного характера рекомбинационных процессов и зависимости параметров, полупроводниковых структур от параметров электрических полей и оптического излучения. Предложена и развита для основных типов полупроводниковых элементов, экспериментально подтверждена теория нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля для широкого класса приборов с учетом процессов генерации и зависящей от поля рекомбинации носителей заряда.

2. Для ряда полупроводниковых и фотоприборов (включая биполярные и полевые транзисторы) исследованы и определены параметры рекомбинации носителей, динамическая комплексная фотопроводимость, спектральные составляющие плотности тока как в приближении зависимости поперечного сечения рекомбинации от скорости движения носителей и подвижности, так и в приближении этой зависимости от энергии носителей.

3. Исследованы частотные характеристики, определяющие быстродействие объемных фотоприемников модулирующей поднесущей при линейном и квадратичном законах рекомбинации носителей в случае импульсного режима работы.

4. Разработаны и предложены новые методы избирательного приема сигналов в оптическом диапазоне частот на полупроводниковых структурах, и ряде известных твердотельных полупроводниковых активных, пассивных и фотоприборах. Установлены основные особенности работы таких элементов в фотопреобразовательных регенеративных, сверхрегенеративных, гетеродинных, супергетеродинных, асинхронных фотоприемниках в режимах с внешним гетеродином и автодин ном. проведен анализ их работы и выполнена оптимизация основных параметров.

5. Впервые, с единых позиций проведены исследования шумовых свойств динамической фотопроводимости и фотоприемных устройств на полупроводниковых и фотоприборах (ФД, ДБШ, ЛФД, р-?-п-диодах, ФР, ПТ, БТ, нелинейной емкости ФД) в режиме преобразования частоты, синхронного и асинхронного детектирования.

6. Обоснована возможность реализации фотопреобразования на нелинейной емкости модулированного светового сигнала и выполнен анализ ее работы в режиме с повышением и понижением частоты модулирующей поднесущей.

7. Впервые исследованы свойства параметрических усилителей модулирующей поднесущей света и проведена оценка влияния зеркального канала на шумовые свойства фотоприемных элементов на указанных полупроводниковых структурах и фотоприборах.

8. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложен ряд схем построения избирательных фотоприемников, регенеративных-параметрических преобразователей-усилителей, нетрадиционных применений эффектов оптико-полевого воздействия для измерителей частоты, медицинских приборов и различных устройств управления.

Практическая значимость работы определяется новым подходом к решению задачи исследования сложного оптико-полевого воздействия для широкого класса полупроводниковых структур и материалов и состоит в разработке методов анализа и принципов построения избирательных фотоэлементов и устройств фотоприема. Предложенные методы анализа позволили выявить ряд эффектов взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля, использование которых дает возможность существенно расширить функциональные способности фотоэлементов.

Разработаны новые типы полупроводниковых избирательных фотоприемных элементов и устройств, систем измерения частоты, температуры, управления и др., обладающие улучшенными характеристиками по сравнению с известными устройствами и проведен анализ их параметров, что имеет важное прикладное значение.

Базовые теоретические положения работы явились основой курсов специальной подготовки студентов и магистров. В учебный процесс внедрены также лабораторные образцы ряда фотоэлементов и устройств избирательного приема оптических сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методы квазилинейного анализа процессов взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей в объеме полупроводниковых структур и ряда фотоприборов, позволяющие учитывать преобразование модулирующей поднесущей светового сигнала.

2. Обобщенная физическая модель процессов взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых структурах и материалах при различных законах рекомбинации генерированных светом носителей, приводящей к сложному характеру зависимости составляющих комплексной динамической фотопроводимости фотоэлементов, определяемой как параметрами материала, электрического поля, светового сигнала, так и внешней схемы.

3. Параметры рекомбинации носителей как в приближении зависимости поперечного сечения рекомбинации от скорости носителей, так и в приближении этой зависимости от их средней энергии для ряда реальных полупроводниковых приборов и фотоэлементов.

4. Основные закономерности протекания процессов взаимодействия модулированного света с полем в полупроводниковых структурах, включая ряд фотоприборов, биполярные и полевые фототранзисторы.

5. Методы избирательного приема модулированных сигналов в оптическом диапазоне частот на полупроводниковых структурах, ряде известных твердотельных полупроводниковых активных, пассивных и фотоприборах и определение основных особенностей работы таких приборов в фотопреобразовательных, регенеративных, сверхрегенеративных, гетеродинных, супергетеродинных, автодинных синхронных и асинхронных режимах приема модулированных оптических сигналов.

7. Шумовые свойства избирательных фотоэлементов и устройств на ряде полупроводниковых структур и фотоприборов в режиме преобразования частоты, синхронного и асинхронного детектирования и проведение анализа их работы с оптимизацией основных технических характеристик.

8. Реализация фото преобразования на нелинейной емкости модулированного светового сигнала с анализом их работы в случае режима с повышением и понижением частоты модулирующей поднесущей.

9. Использование эффектов взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля, для реализации параметрических усилителей модулирующей поднесущей света и оценка их шумовых параметров.

10. Обоснование влияния зеркального канала на шумовые свойства фотоприемников модулирующей поднесущей.

11. Группа новых типов фотоэлементов и устройств, способных работать в оптических многоканальных и телекоммуникационных системах связи и ряд систем и элементов нетрадиционного применения, предложенных на основе исследований процессов оптико-полевого взаимодействия, защищенных патентами и опубликованных в технической литературе.

В результате решения этой научной проблемы установлены.

— новые физические закономерности во взаимодействии модулированного света и переменного электрического поля, позволяющие объяснить явления гармонического гетеродинирования, супергетеродинирования, сверхрегенерации, регенеративно-параметрического усиления и преобразования частоты модулирующей поднесущей;

— новые физические и математические модели процесса взаимодействия модулированного света с переменным электрическим полем, позволяющие, в частости, решать ряд задач оптимизации параметров процесса взаимодействия, материалов и технологии;

— новые физические процессы при преобразовании в режиме асинхронного детектирования модуляции света и особенности шумовых свойств в исследованных полупроводниковых структурах и соответствующих режимах;

— новые физические явления преобразования частоты модуляции света на реактивных составляющих динамической фотопроводимости полупроводниковых и фотоприборов;

— принципы построения нового класса избирательных фотоприемных устройств, способных работать в многоканальных и телекоммуникационных системах оптической связи,.

— предложены и реализованы новые типы полупроводниковых избирательных фотоприемных элементов и устройств, систем измерения частоты, температуры, управления и др., обладающие улучшенными характеристиками по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, что имеет важное прикладное значение.

1. Обзор литературы [140,144−149,185].

Фотоэлектрические явления в твердых телах более 150 лет (работы Becquerel М.Е. 1839 т., Adams W.G., Day R.E. 1877 г.) являются предметом теоретического и экспериментального исследований. Сегодня они представляют собой, с одной стороны, наиболее эффективные способы изучения свойств материалов (определяя абсолютную величину и кинетику явлений, их спектральную зависимость, ряд физических и технологических параметров процесса и полупроводниковых материалов), с другой — непосредственно используются для создания приемников оптического излучения. Всего за десять лет развития физики полупроводников, в период активного исследования полупроводниковых материалов (1955;1965г.г.) было опубликовано более 1000 научных статей, монографий и обзоров по вопросам теории фотопроводимости и разработки различного рода фотоприемников, и преобразователей света [1−32]. Сегодня такой поток информации поступает менее чем за один год, поэтому в обзоре литературы ограничимся рассмотрением лишь наиболее близких по физике процессов исследованиях, опубликованных за последние 35 лет.

В кратком обзоре состояния вопроса уделим внимание работам, посвященным теории и практики использования явления фотопроводимости в различных неоднородных полупроводниковых структурах, ориентированных на создание более прогрессивных элементов фотоприема для систем связи оптического диапазона.

Значительное количество работ посвящено традиционным полупроводниковым фотоэлементам (ФЭ): фоторезисторам (ФР) и фотодиодам (ФД) [33−42], p-i-n-диодам [45−48], диодам с барьером Шотки (ДБШ) и структурам металл-полупроводник (МДП) [49−53], МДП с туннельно-прозрачным слоем [54−58], лавинным фотодиодам (ЛФД) и лавинно-пролетным диодам (ЛПД) [59−71], диодам Ганна (ДГ) и структурам с переменой эффективной массой носителей [72−83], биполярным и полевым фототранзисторам [84−99] и ряду фотоэлементов на основе гетероструктур и сверхрешеток [100−101] и др.

В [1−42] отмечается, что ФР и ФД имеют существенное ограничение из-за низкого значения постоянной времени, больших паразитных емкостей и собственных шумов, что инициировало поиск новых материалов, типов переходов и контактов. В начале развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) в качестве материала для ФП применялся германий [1−7], который из-за малой ширины запрещенной зоны не позволял создавать ФП с низким уровнем шума. Перспективнее сегодня признаны полупроводниковые соединения — сплавы бинарных соединений (AlGaSb, СаЫАяР, Н%Сс1Те), которые в отличие от германия, могут использоваться и в качестве излучателей, что удешевляет систему в целом. По сравнению с ФР различные ФД (ЛФД, р-г-п и др.) [45−71] имеют неоспоримые преимущества. Наиболее пригодными для ФП в ближайшее время станут многослойные образцы (гетероструктуры и сверхрешетки [100−101]), которые должны быть относительно дешевы, т.к. реализуются современными технологическими методами.

Значительное внимание уделено СаАя, 1п8Ь и другим материалам [72−83], полупроводниковые структуры из которых исследуются с момента открытия эффекта Ганна [72−83]. В [41] оценивается фотоотклик фоторезистивного ФП, выполненного на основе генератора на диоде Ганна, что следует отнести к первым экспериментальным исследованиям воздействия света и переменного электрического поля на ФР.

Полупроводниковым ФП излучения на основе р-ппереходов и физике процессов, происходящих в них, описанию характеристик, примерам использования в конкретных схемах посвящены работы [1−32,34,37,39,40,43,44].

Показано, что частотные свойства ФД, определяемые временем жизни неосновных носителей значительно выше, чем ФР [10,11,13,14,16,22,25,29,30]. В настоящее время высокочастотные ФД изготавливаются на основе гетеропереходов, ДБШ ир-1-пструктур [9,45−53,100,101]. ДБШ успешно работают в различных ФП от дальнего инфракрасного до видимого диапазонов [19−22,49,51] и используются как в детекторном, так и в смесительном режимах, причем при преобразовании на активную область прибора поступают два оптических сигнала и один электрический от генератора миллиметрового диапазона [31,47,53,69].

Представляет интерес применение ФД с «СВЧ-смещением» [43,44], при этом сигнал формируется при взаимодействии свободных носителей, образовавшихся во время падения информационного потока излучения, в полупроводнике с полем.

СВЧ-волны. При взаимодействии спектр модуляции сильного информационного потока излучения переносится в СВЧ область на комбинационных частотах модуляции потока и СВЧ-волны.

В ЛФД используют обычные р-п-, р-1-ппереходы и барьеры Шоттки [24,25,45−48] и при снижении составляющей темнового тока обеспечивается высокое быстродействие и квантовая эффективность, близкая к 100%. В [64] ЛФД исследуется в качестве широкополосного фазового детектора СВЧ диапазона с оптическим входом. Предложена физическая модель прибора, электрическая схема устройства, получены аналитические соотношения, определяющее величину тока ЛФД, напряжения на выходе фазового детектора и определен оптимальный режим работы детектора. Предпосылкой к исследованиям [64] послужила серия публикаций зарубежных ученых в области такого рода приборов [59,60], в которых на ФД поступают световое излучение, модулированное по амплитуде СВЧ сигналом и опорный сигнал такой же частоты, а с сопротивления нагрузки снимается сигнал, однозначно определяемый сдвигом фаз между опорным и модулирующим сигналами.

Ряд работ [54−58] посвящен особенностям фотоэлектрических свойств структур МДП с туннельно прозрачным слоем диэлектрика. Показано [55−58], что основной причиной, приводящей к появлению специфических фотоэлектрических эффектов (возрастание эффективности фотопреобразования, усиление фототока и др.), является образование у границы раздела полупроводник-диэлектрик неравновесной области обеднения, связанное с протеканием токов «утечки». Приведены результаты экспериментальных исследований [56−58].

В [47,53,65,69] исследуются оптоэлектронные смесители, в которых сильным сигналом является оптический, с амплитудной модуляцией частотой гетеродина, а слабым информационным сигнал — электрический. В качестве основных нелинейных элементов здесь используются ФД, ЛФД, ДБШ и даже туннельные диоды. Анализ работы, моделирование и экспериментальные исследования оптоэлек-тронных смесителей на ЛФД и туннельных диодах с барьером Шоттки приведено в [47,69].

Большой интерес для разработки оптически управляемых СВЧ устройств [41,47,61,66,67,68], в том числе и смесителей, получают транзисторные структуры.

84.86.97.98]. В работах [15,57−60,84,91] приведены результаты экспериментальных исследований отоэлектронных смесителей на фототранзисторах, а в [87] дано сопоставление параметров различных типов транзисторов, в том числе и на основе гетероструктур (A lxGa¡-ХАs-daAsj. Предлагается целый ряд устройств с использованием ФТ, причем биполярный ФТ принимает излучение, а его усиленный фототок возбуждает светодиод или полупроводниковый лазер, т. е. эти устройства относятся к оптическим усилителям, преобразователям изображения, преобразователям спектра излучения, оптическим ключам.

Интересные возможности открывает применение лавинных фототранзисторов (ЛФТ), предложенных еще в 1955 году в работах Miller S.L., Ebers J.J. [102] и рассмотреных в более поздних публикациях [103,104,], применение которых возможно как в каналах связи, так и в системах оптического управления [105,106]. Отмечается, что некоторое снижение быстродействие компенсируется увеличением чувствительности и возможностью получения различных спектральных характеристик.

Достоинства ПТ, используемых в качестве ФП заключаются в очень высоком быстродействии и большом значении коэффициента фотоэлектрического усиления, хотя одновременно реализовать оба этих преимущества не удается [7,14]. В [99,107] показано, что фоточувствительность и усиление в ПТ определяются сложным сочетанием механизмов, таких как фотопроводимость с эффектом усиления [107,108], модуляция сток-исток за счет фото-ЭДС на переходе затвора.

85.88.90.99] либо на переходе подложка-канал [109,110], диффузия фотоинжекти-рованных носителей из подложки в канал при наличии ускоряющего электрического поля [111]. В [111,112] показана возможность использования ПТ как быстродействующего ФП и приведены результаты экспериментов [112].

Идея использовать активные приборы СВЧ в качестве избирательных ФП возникла сравнительно недавно и для ряда приборов впервые предложена автором данной работы [113−116]. При этом предлагается перейти к избирательным методам приема модулирующих поднесущих оптических сигналов, что по сравнению с прямым детектированием, оптическим гетеродинированием и гомодинным приемами обеспечивает существенное улучшение ряда параметров систем приема при возможности реализации многоканальных режимов работы.

Создано значительное количество математических моделей (в основном это различные квазилинейные методы, которые частично разработаны автором и рассмотрены в работах [6,8,35,113−117]), описывающих физические процессы в неоднородных полупроводниковых структурах и приборах СВЧ.

Из приведенного краткого обзора следует, что основные исследования процессов в полупроводниковых материалах и приборах на их основе касаются того взаимодействия модулированного по интенсивности светового потока и электрического поля, которое в принципе, определяет один из вариантов решения пробемы создания фотоприемных устройств для телекоммуникационных и многоканальных линий оптической связи с целью существенного повышения скорости передачи информации.

Поэтому в работе исследуются процессы взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей в указанных структурах с целью использования этих процессов для выделения модулирующей поднесущей светового сигнала. При этом предполагается, что преобразование светового излучения обусловлено сложными процессами взаимодействия с учетом различных законов и условий генерации и рекомбинации носителей зарядов. Именно на основе этих физических процессов строится теория, излагаемая в данной работе, причем при рассмотрении различных приборов используется ряд подходов для учета физических явлений, которые имеют место в полупроводниковых приборах самого широкого класса, включая и фотоприборы.

Выше был приведен краткий обзор публикаций, посвященных как вопросам теории работы фотоприемных элементов, так и фотоприемникам вообще (оптоэлектронным приборам), принцип работы которых основан на преобразовании оптического сигнала при прямом, оптическом гетеродинном и гомодинном режимах приема. Далее в этом разделе рассматриваются и разрабатываются методы анализа процессов в полупроводниковых структурах и материалах при воздействии на них постоянного, переменного электрических полей и модулированного света с учетом сложного характера рекомбинационных процессов. Разрабатывается обобщенная модель физических процессов и обосновывается применимость методов анализа.

Во втором разделе проводится анализ процессов взаимодействия модулированного светового сигнала, постоянного и переменного электрических полей в различных полупроводниковых структурах и материалах при учете процессов как прямой рекомбинации носителей, так и при рекомбинации через промежуточные уровни. Проводится расчет спектра полного тока, текущего через приборы на основе объема полупроводникового материала, различных переходов и контактов, обладающих рекомбинационной нелинейностью и зависимостью скорости движения носителей от поля и энергии (фоторезисторы, фотодиоды, ЛФД, ЛПД, и др.). Исследуются процессы преобразования модулированного света на биполярном и полевом транзисторах при наличии переменного поля и при воздействии света на области базы и коллекторного перехода либо на область затворов. Преобразовательные свойства транзистора рассматриваются для двух основных рекомбинационных процессов, имеющих место в полупроводниковых приборах такого класса: рекомбинации зона-зона и рекомбинации через локальные центры. При этом проводится определение обратного тока коллекторного перехода для обоих случаев, а также с учетом возможного процесса лавинного умножения носителей и получен спектр тока для обоих типов транзисторов. Предлагаются математические модели для анализа процессов преобразования частоты модуляции света.

В третьем разделе исследуются высокочастотная динамическая фотопроводимость объема полупроводника, зависимости активной и реактивной составляющих проводимости для полупроводниковых структур, включая фотоприборы, от параметров модулированного света и электрического поля, определяются параметры рекомбинации носителей. Полученные зависимости используются для анализа передаточных и шумовых свойств избирательных фотоприемников и оценки оптимальных режимов для приборов и структур, рассмотренных в разделе 2.

В четвертом разделе проведены исследования по оценке эффективности преобразования модулирующей поднесущей светового сигнала для различных режимов работы фотоприемного элемента, влияния на нее как параметров рекомбинации, так и параметров воздействующих внешних сигналов. Анализ проводится для значительного класса полупроводниковых приборов и элементов для квадратичного и линейного законов рекомбинации при учете рекомбинации как через ло-вушечные уровни, так и при межзонных переходах. Дана оценка влияния на эффективность преобразования особенностей процессов взаимодействия в приближениях зависимости сечения рекомбинации как от скорости движения носителей, так и от их энергии. Проведено сравнение эффективности различных методов и режимов преобразования модулирующей поднесущей света для широкого круга избирательных фотоэлементов.

Пятый раздел посвящен рассмотрению методов построения избирательных фотоприемников, использующих эффекты взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля. Приведено описание принципов работы фотоприемников нового класса, построенных по схемам гетеродинного, супергетеродинного, сверхрегенеративного и асинхронного приема модулирующей поднесущей, приведены варианты построения различных схем фотоприема на рассмотренных выше приборах и структурах, пригодных для многоканальных и телекоммуникационных каналов связи.

В шестом разделе исследуются шумовые свойства и характеристики передачи избирательных фотопреобразователей, предложены модели для анализа шума и получены соотношения, позволяющие провести оптимизацию фотопреобразователей по минимуму шума и максимуму коэффициента передачи. Проведена оценка влияния зеркального канала на параметры фотопреобразователей как для гетеродинных так и асинхронных методов фотоприема. Исследован эффект параметрического и регенеративного преобразований модулирующей поднесущей и выведены соотношения оптимизирующие указанное преобразование полезного сигнала.

В седьмом разделе рассмотрены вопросы использования выявленных эффектов оптико-полевого воздействия, приведены результаты экспериментальной проверки выдвинутых теоретических положений и описаны предложенные и разработанные реальные устройства фотоприемников и ряда приборов и аппаратов, построенных на исследованных эффектах и явлениях в полупроводниковых приборах, элементах и структурах.

Результаты работы явились предметом патентования и заявок на предполагаемые изобретения, вошли составной частью в ряд отчетов по НИР Таганрогского государственного радиотехнического университета, внедрены на.

299 ряде промышленных предприятий и научных учреждений (завод «Прибой», АО «Татмет» г. ТаганрогВНИИ «Градиент» г. Ростов-на-ДонуОКБ КП АНАКА г. БакуТНИИС г.Таганрог), использованы при проведении совместных НИР («Тагилец» ВНИИ Градиент- «Позиция» ОКБ ТНИИС- «Марьяж» ОКБ КП АНАКА) и в учебном процессе в курсах лекций при подготовке инженеров, бакалавров, магистров и аспирантов по специальностям направления 550 700 (акты внедрения стр.286−292).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке в рамках программы «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Электроника» при активном участии сотрудников кафедры радиотехнической электроники Таганрогского государственного радиотехнического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе «Нелинейное взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых фотоприемниках» выполнен обзор отечественной и зарубежной литературы, доказана актуальность проведения целенаправленного комплекса теоретических и экспериментальных исследований сложного оптико-полевого воздействия на объемные и контактные полупроводниковые структуры, проведен анализ такого взаимодействия для известных полупроводниковых приборов с учетом квадратичного либо линейного законов рекомбинации носителей заряда для межзонного и ловушечного механизмов расеяния, в приближении зависимости сечения рекомбинации носителей заряда от средней скорости движения носителей и их средней энергии, оценены параметры рекомбинации, эффективность преобразования частоты модуляции света, определены параметры, позволяющие рассчитывать характеристики фотопреобразователей, выявлены зависимости составляющих комплексной динамической фотопроводимости фотоэлементов от параметров светового сигнала и переменного электрического поля, разработаны теоретические основы построения качественно нового класса избирательных фотоприемников, фотоэлементов и устройств различного назначения, развиты методы приема оптических сигналов для многоканальных и телекоммуникационных оптических систем связи, предложен ряд устройств для реализации этих методов, построены модели и определены шумовые, передаточные свойства фотоэлементов и выполнена оптимизация параметров, проведена экспериментальная проверка основных теоретических положений, выдвинутых и предложенных в виде моделей.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Рассмотрены в рамках локально — полевой модели методы анализа процессов (подразделы 1.1−1.6) в объеме полупроводника (подразделы 2.1−2.3), в различных контактах и переходах (подразделы 2.4, 2.5) при воздействии на них постоянного, переменного электрических полей и модулированного света с учетом сложного характера рекомбинационных процессов. На основании анализа существующих математических методов показано, что наиболее приемлемыми для исследования являются квазилинейные методы, основанные на решении уравнений кинетики рекомбинации носителей при учете соответствующих законов генерации и рекомбинации (подразделы 1.1−1.5), а также, в частном случае, с учетом уравнения непрерывности (подразделы 2.4 — 2.5). Предложена обобщенная физическая модель процесса такого взаимодействия как в объеме полупроводникового материала, так и на различных контактах и переходах (подраздел 1.6, рис. 1.21, стр.81).

2. Предложена и развита для основных типов полупроводниковых элементов теория взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля для объемных (подразделы 2.1−2.3) и контактных (подразделы 2.4, 2.5) приборов с учетом генерационно-рекомбинационных процессов (линейного (подраздел 2.3), квадратичного (подразделы 2.2−2.4), прямого (подразделы 2.1−2.4, 2.5.1, 2.5.2) и ловушечного (подраздел 2.5.3)).

3. Теоретически исследован полный спектр тока, протекающего через полупроводниковый объем ((2.28)-(2.31), стр.94−98- рис. 2.2−2.4, стр. 96, 99), различные^{-и-переходы,} контакты металл-полупроводник и фотоприборы ((2.41), стр.105- рис. 2.8−2.15, стр. 108−110- рис. 2.16−2.24, стр113−115, 119- (2.50), стр.123- рис. 2.27, 2.28, стр.132), при воздействии на них постоянного, переменного электрических полей и модулированного светового потока как в приближении зависимости сечения рекомбинации от средней скорости носителей, так и в приближении этой зависимости от энергии.

4. Рассмотрены с единых позиций процессы взаимодействия модулированного света с полем в полупроводниковых приборах и на основании полученных соотношений построены математические модели процесса взаимодействия переменного электрического поля и модулированного светового потока в различных полупроводниковых структурах, включая фотоприборы, биполярные и полевые транзисторы, при наличии ионизации, генерации и при квадратичной рекомбинации носителей (подраздел 2.6, стр. 139−141).

5. Определены параметры рекомбинационной нестабильности носителей (подраздел 3.2.1−3.2.3) (зависимости сечения рекомбинации и параметров рекомбинационной нестабильности от средней скорости движения носителей и их средней энергии рис. 3.1−3.4, стр. 144−146), величины составляющих комплексной динамической фотопроводимости (подразделы 3.3 -3.4) (зависимости составляющих комплексной динамической фотопроводимости от переменного электрического поля рис. 3.5, стр. 157 в приближении эффективной массы носителей от средней энергии (3.22), стр. 150 ив приближении сечения рекомбинации от средней скорости и от средней энергии (3.29), стр. 156, рис. 3.4, стр.157) и показаны возможности использования эффектов нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых материалах и структурах, содержащих различные переходы и контакты, включая и фотоприборы, для разработки принципиально новых фотоэлементов и устройств избирательного фотоприема.

6. Теоретически, на основании исследования процессов взаимодействия модулированного света с переменным электрическим полем в объемных (стр.83 132) и контактных полупроводниковых приборах, включая фотоприборы (стр. 8388, 100−116), биполярные (стр. 120−132) и полевые (стр. 117−120) транзисторы произведена оценка эффективности преобразования (раздел 4) модулирующей поднесущей светового сигнала. Проведено сопоставление эффективности процесса взаимодействия в ряде полупроводниковых приборов при работе в различных режимах избирательного фотоприема для объемных (стр. 160−168) и контактных (стр. 169−178) полупроводниковых структур при линейной (рис. 4.4 и 4.5. стр.167) и квадратичной (рис. 4.2 и 4.3, стр.166), прямой (рис. 4.6, стр.169) и ловушечной (рис. 4.7, стр.170) рекомбинации носителей тока и выполнено сравнение эффективности преобразования при гетеродинировании и асинхронном детектировании частоты модуляции света (подраздел 4.4, рис. 4.10−4.24, стр172−178).

7. Проведена оценка быстродействия избирательных фотоприемников (подраздел 4.3) в случае приема импульсных сигналов МП как для линейной ((4.22), стр.181), так и квадратичной ((4.21), стр.181) рекомбинации носителей, которая может быть использована для определения характера рекомбинационного процесса в неоднородных полупроводниковых структурах (рис. 4.25, стр.181).

8. Предложены новые методы избирательного приема сигналов в оптическом диапазоне частот на известных твердотельных полупроводниковых активных, пассивных и фото приемных приборах (подразделы 5.2−5.5). Развиты и проанализированы основные особенности работы таких приборов в фотопреобразовательных гетеродинных и супергетеродинных (подраздел 5.2.1, рис. 5.1−5.4, стр. 191, 194), регенеративных и сверхрегенеративных (подраздел 5.2.3, рис. 5.7−5.9, стр.201−203), асинхронных и синхронных (подраздел 5.2.2, рис. 5.5, стр.198) режимах. Созданы теоретические предпосылки проектирования фотоприемников для многоканальных и телекоммуникационных асинхронных (подраздел 5.3, рис. 5.11, стр.205) и сверхрегенеративных (подраздел 5.4, рис. 5.12, стр.206) оптических систем связи нового поколения. Рассмотрены и развиты общие требования к избирательным фотоприемникам (подраздел 5.5, стр.207−211), построенным на эффектах оптико-полевого взаимодействия в полупроводниковых структурах.

9. Развитые и разработаные математические модели и методы анализа шумовых свойств фотоприемников модулирующей поднесущей (подраздел 6.1) позволили впервые с единых позиций исследовать шумовые свойства динамической фотопроводимости избирательных фотоприемных элементов и устройств на различных полупроводниковых и фотоприборах в режиме преобразования частоты (подраздел 6.2) и асинхронного детектирования (подраздел 6.5). Исследовано влияние зеркального канала на шумовые характеристики фотоприемников модулирующей поднесущей (подраздел 6.3), показано, что настройка схемы по зеркальному каналу значительно снижает коэффициент шума фотоприемника и позволяет приблизиться к реализации условия оптимального коэффициента передачи ((6.58), (6.31), стр. 231, 222).

10. Проведен анализ шумовых свойств фото приемников модулирующей поднесущей на различных контактах и переходах (подраздел 6.2, стр.221−229), полевых (подраздел 6.4, стр.233−245), биполярных (подраздел 6.5, стр.246−248) и лавинных (подраздел 6.5, стр.248) фототранзисторах. Составлены эквивалентные шумовые схемы для указанных фотоэлементов (рис. 6.4, стр.222- рис. 6.5, стр.227- рис. 6.9, стр.240- рис. 6.10, стр.242- рис. 6.12, стр.244- рис. 6.15, стр.247), получены выражения для коэффициента шума (ФР (6.42), (6.44), стр. 225, 226- ДБШ (6.35), стр.223- р-г-п (6.42), (6.31), стр. 225, 222- ЛФД (6.43), (6.31), стр. 225, 222- ПТ (6.70), стр. 240, (6.71), стр. 242, (6.76), стр.244- БТ (6.78), стр.247- лавинного БТ стр.248) и коэффициента передачи (диодных ФПМП (6.38), стр.224- ПТ (6.75), стр.243) и определены условия реализации режима ограничения «шумом в сигнале» (ФПМП без внутреннего усиления (6.47), стр.227- ЛФД (6.48), стр.227- ПТ стр. 242, 245).

Выполнен сопоставительный анализ возможных режимов работы фотоприемников на таких приборах (стр. 228, 245).

11. Обоснована возможность реализации преобразования на нелинейной емкости (подраздел 6.7, стр.257−266) модулированного светового сигнала и выполнен анализ работы таких преобразователей в случае режимов: нерегенеративного усиления за счет преобразования частоты вверхрегенеративного усиления с преобразованием частоты модулирующей поднесущей вниз и вверхрегенеративного усиления без преобразования частоты (стр.259−266). Составлены эквивалентные шумовые схемы (рис. 6.19, стр.263- рис. 6.20, стр.265) и в единообразной форме проведен анализ коэффициентов шума ((6.94), (6.96), стр.263−266) и передачи (стр.261−263) для указанных режимов.

12. Проведен анализ особенностей действия шума в асинхронном фотоприемнике (подраздел 6.6 эквивалентные шумовые схемы рис. 6.16, 6.17, стр. 252, 254- коэффициент шума (6.86), (6.87), стр. 255, 256- коэффициент передачи стр. 256,257) и показано, что в частном случае асинхронного фотоприемника с экспоненциальной вольтамперной характеристикой выражение для напряжения биений полностью совпадает с формулами, полученными A.A. Абрамяном для асинхронного детектора (стр.253).

14. Проведено экспериментальное исследование процессов взаимодействия модулированного света, переменного и постоянного электрических полей в объемных (раздел 7, рис. 7.1, стр.268) и контактных полупроводниковых структурах (подраздел 7.3, рис. 7.5 и 7.6, стр. 274, 275- подраздел 7.6, рис. 7.10, стр.284) и оценена эффективность их для различных приборов. Предложен ряд новых схем построения избирательных фотоприемников (подразделы 7.2, рис. 7.4, стр.273- подраздел 7.3, рис. 5.1, стр.191). Приведено описание разработанных под руководством автора устройств нетрадиционного применения эффектов оптико-полевого взаимодействия для измерения частоты (подраздел 7.4, рис. 7.7, стр. 279), медицинских аппаратов (подраздел 7.1, рис. 7.3, стр.272- подраздел.7.5, рис. 7.8, стр.281) и ряда пороговых, логических устройств и схем управления АФАР (подраздел 7.6, рис. 7.9, стр. 283).

Из анализа режимов работы избирательных фотоэлементов можно заключить, что по скорости световой генерации, достижимой в различных полупроводниковых структурах для систем атмосферной оптической связи пригодны ЛФД, полевые и биполярные фототранзисторы, а в системах ВОЛС ФР, ФД, />/-?2-диоды и диоды Ганна.