Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике  

На правах рукописи

Денисов Борис Николаевич

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ

ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СИММЕТРИЧНЫХ

ФОТОРЕЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР

Специальность: 01.04.05 оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Саранск 2009

       Работа выполнена на кафедрах экспериментальной физики и радиотехники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва

Научный консультант:  доктор физико-математических наук, профессор

Горюнов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:  доктор физико-математических наук, профессор

Михайлин Виталий Васильевич;

доктор физико-математических наук, в.н.с.

Шевяхов Николай Сергеевич;

доктор физико-математических наук, с.н.с.

Курков Андрей Семёнович

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится  16 декабря в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.117.13 при ГОУВПО Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва по адресу 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68а, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева.

Отзывы на автореферат просим отсылать по адресу 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68а, ГОУВПО Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, Диссертационный совет Д.212.117.13

Автореферат разослан____________________

Учёный секретарь

диссертационного совета Д. 212.117.13

к.т.н., доцент  И.Н. Кошин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устройства фотоники и оптоэлектроники характеризуются широкими функциональными свойствами и применяются во всех звеньях систем обработки информации. Одна из основных задач, решаемая оптоэлектроникой и фотоникой, связана с передачей информации с использованием фотонов [1, 2]. Повышение скорости передачи информации в системах связи и быстродействия вычислительных систем являются актуальной задачей. В настоящее время развиваются два направления решения этой задачи. Первое связано с интеграцией электронных и оптических систем на одной кремневой подложке [3, 4, 5]. При этом необходимо изготовить на основе кремния светодиоды, световоды, модуляторы и приёмники излучения. О решении этих задач и изготовлении опытных образцов в 2008 г. сообщила компания Intel [5]. Второе направление связано с интеграцией не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором [3]. Идея использования физических принципов интеграции нескольких функций в одном приборе возникла в конце 70-х г. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В, Стафееву В.И., Пустовойту В.И., Носову Ю.Р. и другим отечественным ученым. Это направление в оптоэлектронике получило название функциональная оптоэлектроника [6]. Мы полагаем, что вторая проблема может быть решена путём совмещения функций приема оптических сигналов и их обработки в фотоприемнике с помощью электрических сигналов, а также управление электрическими сигналами с помощью оптических сигналов. Это позволит создавать подлинно функциональные оптоэлектронные приборы и вынести практически полностью электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов [3]. Для совмещения функций приема и обработки оптических сигналов фотоприемник должен выполнять операцию прямого аналогового перемножения оптических сигналов на электрические сигналы. Операция умножения является основной для обработки сигналов в системах передачи и приема информации по оптическим и электронным каналам связи и осуществляется опосредованно, путем возведения в квадрат суммы двух сигналов [7,8]. Создание фотонного аналога транзистора, который реализует прямое аналоговое перемножение электрических сигналов на оптические сигналы, обеспечит физические принципы интеграции оптики и электроники.

Для решения задач приема и хранения оптической информации необходимо также устройство, которое обеспечивает совмещение нескольких функций в одном приборе, что позволит сократить время обработки оптического сигнала.

В связи с этим в работе выделены два направления в исследованиях. Первое направление связано с исследованием функциональных свойств фоточувствительных структур, обеспечивающих совмещение операций приема и обработки оптических сигналов. Это направление включает так же исследование операции перемножения оптических и электрических сигналов фоторезистивными структурами, изучение влияния кинетики на нелинейные искажения при регистрации фоторезистором модулированных оптических сигналов. Объём исследований и знаний о таких процессах пока очень мал или отсутствует. Второе направление связано с исследованием физических процессов в фоторезистивных структурах, которые выполняют функции источника излучения, а также приёма и хранения информации в виде оптического сигнала. К таким структурам относятся пленочные и электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК). Такие ЭЛК представляют собой симметричные структуры металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл (МДПДМ). Эти устройства обладают эффектом оптической памяти. В настоящее время отсутствие качественной технологии изготовления порошковых ЭЛК не позволяет совершенствовать эти устройства. Отсутствуют дублирующие методы определения параметров зонной схемы порошковых полупроводниковых материалов, на основе которых изготавливаются данные устройства.

Объектом исследования в первом направлении нами был выбраны фоторезисторные симметричные структуры типа . Объектом исследования, во втором случае, являлись электролюминесцентные конденсаторы на основе порошковых люминофоров.

Предметом исследования в обоих случая являлись оптические методы передачи и обработки информации, фотоэлектрические явления, люминесценция.

Особенностью данной работы является сочетания физических методов решения поставленных задач, математического моделирования, технических и технологических решений, обеспечивающих реализацию физических идей.

Цель работы: Исследование неравновесных фотоэлектрических процессов в полупроводниках, функциональных свойств симметричных фоторезисторных структур для создания на их основе многофункциональных элементов для оптоэлектроники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-исследовать функциональные свойства фоторезисторных структур при нестационарном возбуждении и питании;

-исследовать влияние кинетики фотопроводимости и инжекционных явлений на нелинейные искажения, носимые фоторезистором в регистрируемый оптический сигнал;

-разработать новую конструкцию и технологию изготовления ЭЛК, обеспечивающего высокую точность и повторяемость результатов и обладающих эффектом памяти;

-разработать новые методы контроля глубины залегания примесных уровней, определяющих кинетику процессов запоминания в ЭЛК.

Научная новизна полученных результатов и выводов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

  1. Установлено, что среднее значение концентрации свободных носителей при периодическом освещении полупроводника, зависит от частоты модуляции возбуждающего излучения при различных скоростях процессов генерации и рекомбинации свободных носителей.
  2. Предложен метод определения кинетических параметров фотопроводимости по зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции возбуждающего излучения. Предложен способ Фурье анализа кинетики фотопроводимости с помощью переменного напряжения, приложенного к фоторезистору.
  3. Получена математическая модель многофункционального устройства на основе фоторезистора, обеспечивающего операцию прямого аналогового перемножения электрических и оптических сигналов (смесителя). Предложен способ совмещения гетеродинного приёма и детектирования оптических сигналов, модулированных по оптической частоте или фазе с помощью фоторезистора. Созданы математические модели и новые устройства на основе фоторезистора для спектрального анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов, модулированных электрических сигналов; устройства амплитудной, фазовой модуляции электрических сигналов.
  4. Создана новая конструкция и технология изготовления планарных порошковых ЭЛК, совместимая с современными технологиями полупроводниковой электроники. Установлена теоретически и экспериментально проверена математическая модель процесса скорости ионизации полем центров свечения в ЭЛК.
  5. Разработана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата порошковых полупроводниковых материалов с рекомбинационным типом свечения методом термостимулированной ёмкости (ТСЕ). Методом ТСЕ экспериментально обнаружено явление переселения носителей заряда в люминофоре через примесные уровни без выхода их в зону проводимости.
  6. В созданных структурах обнаружено явление оптической памяти. Предложено новое многофункциональное оптоэлектронное устройство, обеспечивающее совмещений функций излучения, приема оптических сигналов и их запоминания.

Практическая ценность результатов.

Результаты теоретического анализа и проведенных экспериментальных исследований фотоэлектрических явлений в полупроводнике при динамическом возбуждении расширяют существующие представления о физических процессах поглощения света в полупроводнике и функциональных свойствах фоторезистивных структур. В процессе работы получены следующие практические результаты:

1. Разработаны новые методики для исследования кинетики фотопроводимости; разделения сложных спектров фотолюминесценции, электролюминесценции, фотопроводимости на элементарные полосы. Получен новый способ Фурье-анализа кинетики фотопроводимости.

2. Предложен фотонный аналог транзистора на основе фоторезистора, обеспечивающий прямое аналоговое перемножение оптических и электрических сигналов. Предложен экспериментальный способ Фурье-анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов с помощью фоторезистора. Получены патенты на новые конструкции передатчиков, модуляторов, анализаторов спектра электрических сигналов, обеспечивающие значительное упрощение конструкции и имеющие более низкий коэффициент нелинейных искажений по сравнению с аналогами.

3. Предложен новый способ гетеродинного приема оптических сигналов модулированных по оптической частоте с помощью фоторезистора, обеспечивающий совмещение гетеродинного приема с синхронным детектированием оптических сигналов.

4. Предложена новая конструкция и технология изготовления электролюминесцентного источника света и оптической памяти. Практические результаты исследований отражены в авторском свидетельстве на изобретение.

5. Создана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата в люминофорах с рекомбинационным типом свечения. Определена зонная схема люминофора ZnS-In.

Практические результаты работы составили основу 5 патентов на изобретение и полезные модели.

Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту:

  1. Экспериментальный метод определения параметров кинетики фотопроводимости по измерению среднего значения фототока.
  2. Экспериментальные исследования и математические модели функциональных свойств фоторезистора, обеспечивающего совмещение функций приёма и обработки оптических сигналов. Аналоговый прямой перемножитель оптических и электрических сигналов на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования устройств, выполненных на основе фоторезистора; синхронного детектора и анализатор спектра гармоник оптических сигналов модулированных по интенсивности, гетеродинного приёмника и детектора оптических сигналов модулированных по оптической несущей. 
  3. Фотонный аналог транзистора на базе резисторного оптрона. Математические модели и экспериментальные исследования амплитудных, балансных и фазовых модуляторов электрических сигналов, синхронных детекторов амплитудно, частотно и фазомодулированных электрических сигналов, анализатора спектра электрических сигналов,  выполненных на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования нелинейных искажений, вносимых фоторезистором в регистрируемый сигнал.
  4. Конструкция и технология изготовления щелевых планарных электролюминесцентных конденсаторов на основе порошковых люминофоров. Экспериментальные исследования и математические модели кинетики скорости генерации носителей и кинетики процессов свечения электролюминесценции.
  5. Математическую модель и методику ёмкостного метода определения глубины центров захвата в порошковых люминофорах с рекомбинационным типом свечения.
  6. Экспериментальные исследования и математические модели эффекта оптической памяти в щелевых планарных МДПДМ структурах на основе широкозонных полупроводников.

Апробация. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 8-ой Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1978); на 2-м Всесоюзном совещании по широкозонным полупроводникам (Ленинград, 1978); на Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ужгород, 1979); на 2-м Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980); на V Всесоюзном совещании Физика и техника применения полупроводников А2В6 (Вильнюс, 1983); на IХ Всесоюзной конференции по светотехнике (Рига, 1987); на VI Всесоюзном совещании Физика, химия и технология люминофоров (Ставрополь, 1989); на  II Всесоюзном совещании Материалы для источников света и светотехнических изделий (Саранск, 1990); на  VII Всесоюзном I Международном совещании Физика, химия и технология люминофоров (Ставрополь, 1992); на Международной конференции Осветление -96 (Варна, Болгария, 1996); на Всероссийской научно-технической конференции Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. (Кисловодск, 1996г.); на Международной научно-технической конференции Проблемы и прикладные вопросы физики (Саранск, 1997); на III Всерос. науч. - технич. конф. Светоизлучающие системы. Эффективность и применение. (Саранск, 2001г.); на V международной конференции Оптика, оптоэлектроника и технологии (Ульяновск, 2003г.); на 3-ой межрегион. науч. шк. для студ. и аспирантов Материалы нано- микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение (Саранск, октябрь, 2004 г.);  на научной сессии, посвященной дню радио (Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, (Москва, 17-19 мая, 2005 г); на 7-ой Всерос. молодеж. науч. шк., Материалы нано- микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение (Саранск, октябрь 2008г.) 

Публикации. Материалы диссертации отражены в 45 работах и защищены 2 патентами на изобретения и 3 патентами на полезные модели. 

ичный вклад автора. Автору принадлежит выбор и обоснование путей развития основных направлений исследований по теме работы, постановка задач, создание экспериментальных установок и методик исследования. Проведение экспериментальных исследований, разработка и изготовление опытных образцов выполнены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. В совместных публикациях соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, объяснении и обосновании с физической точки зрения рассматриваемых процессов и явлений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 283 стр., включая 137 рис. и 16 таблиц. Список литературы состоит из 164 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен критический анализ проблемы увеличения скорости обработки информации, рассмотрены пути решения этой задачи, которые реализуются в ведущих лабораториях мира. В настоящее время потребность в скорости обмена данными между электронными устройствами превысила физические ограничения, накладываемые медными проводниками. Поэтому интенсивно ведутся работы по созданию оптических каналов передачи данных между электронными устройствами. Отмечается, что для решения этой задачи должны быть решены две проблемы. Первая проблема заключается в совмещении оптических устройств с элементами кремневой электроники. Для совмещения оптических устройств с элементами кремневой электроники необходимо создание световодов, источников света и модуляторов на базе кремния [5]. Следует отметить, что эти работы не только пребывают на начальных этапах, но и весьма дороги по сравнению с традиционными технологиями на базе меди. Вторая проблема по интеграции оптики и электроники связана с обеспечением непрерывности перехода из оптических систем передачи данных в электронные системы обработки сигналов. В обзоре отмечается, что вторая проблема может быть решена в рамках нового направления в электроники, которое называется функциональной оптоэлектроникой [3, 6]. В изделиях функциональной оптоэлектроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде с помощью оптического излучения, а не в линиях межсоединений. Поэтому проблема межсоединений в этом случае не является ключевой. Для выделения информации, динамическую неоднородность оптической природы превращают в электрическую для дальнейшей электронной обработки. Отмечается, что такой подход приводит к значительной задержке сигнала и не обеспечивает непрерывность перехода из оптических каналов в электронные каналы. В главе рассмотрены результаты исследований по кинетике фотопроводимости, методы определения кинетических параметров. Отмечается отсутствие исследований нестационарной фотопроводимости при нестационарном питании, особенности поведении среднего значения фототока при нестационарном питании. Приводится обзор по функциональным возможностям фоторезистора. Показано, что фоторезистор в системах оптической обработки информации, в оптоэлектронике в основном применяется для регистрации оптического излучения или для гальванической развязки. В ряде случаев его используют в качестве прерывателя (модулятора) электрических сигналов, с целью дальнейшего их усиления. Делается вывод о необходимости подробных исследований функциональных свойств фоторезистора для решения задачи непрерывности перехода из оптических каналов в электронные каналы. Отмечается, что отсутствуют у нас в стране и за рубежом исследования нелинейных искажений, вносимых фоторезистором в регистрируемый сигнал.

Рассмотрены технология изготовления, функциональные возможности существующих плёночных и порошковых ЭЛК. Отмечается возможность изготовления устройств оптической памяти на основе таких устройств. Показано, что устаревшая технология изготовления порошковых ЭЛК не позволяет совершенствовать параметры таких устройств. Делается вывод о необходимости разработки новой технологии изготовления порошковых ЭЛК, совместимой с технологиями микроэлектроники.

Во второй главе рассмотрены применяемые для исследований экспериментальные установки, разработанные методики определения кинетических параметров фотопроводимости и параметров зонной структуры материалов, технология изготовления планарных щелевых структур для электролюминесцентных конденсаторов, фоторезисторов. Основой установки является монохроматор ДМР-23 с вакуумным криостатом, в котором располагались образцы. Установка позволяла проводить спектральные, электрические, оптические, емкостные измерения фоточувствительных и люминесцирующих структур в диапазоне температур 77-500 K. В качестве фоторезисторов использовались симметричные планарные структуры типа на основе высокоомного кремния или CdS. В качестве электролюминесцентного источника света и ячейки оптической памяти нами применялась запатентованная оригинальная конструкция. Новый электролюминесцентный источник света представлял собой планарную систему, состоящую из проводящих дорожек (электродов), расположенных в одной плоскости. Алюминиевые электроды были нанесены методом фотолитографии на ситалловую подложку (рис.1). Были получены образцы с расстоянием между соседними дорожками d = 40, 70 и 128 мкм и шириной дорожки h = 17, 30 и 78 мкм соответственно. В качестве изолятора выступал слой окисла алюминия на поверхности дорожек. Полученные структуры являются аналогам структурам типа МДПДМ. Предельно допустимая амплитуда напряжения, подаваемая на образцы, составляла 400 В.

Рис.1. Конструкция планарного электролюминесцентного конденсатора:

1 ситалловая подложка; 2 алюминиевые электроды; 3 слой люминофора. А-вид сверху, Б-вид с боку.

юминофор наносился поверх контактов в виде спиртовой суспензии без связующего материала. Это позволяло проводить исследование явления электролюминесценции и полевых эффектов в чистом виде, исключая влияние материала связки на электрические и оптические свойства структур. Простота нанесения и снятия слоя люминофора без повреждения структуры, позволяла многократно использовать одну и ту же матрицу, что способствовало повторяемости результатов. Для анализа кинетики фотопроводимости нами использовалась зависимость среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока и закона рекомбинации свободных носителей. Эта методика подробно рассмотрена нами в третьей главе. Для разделения сложных спектров люминесценции, электролюминесценции, фотопроводимости применялся экспериментальный метод, основанный на разной зависимости амплитуды переменной составляющей в полосах спектров от частоты следования возбуждающих импульсов.

Третья глава посвящена исследованию особенностям регистрации фоторезистором модулированных оптических сигналов. В случае нелинейной кинетики фотопроводимости следует ожидать зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока и закона рекомбинации свободных носителей. Рассмотрение проведено для случая однородной генерации носителей светом в объеме полупроводника и омических контактов. В случае собственного полупроводника, при межзонном периодическом возбуждении, кинетика изменения концентрации свободных носителей зарядов описывается уравнением:

,  (1)

где - скорость генерации неравновесных электронов, - скорость рекомбинации электронов, , - круговая частота. Покажем, что среднее значение концентрации неравновесных носителей (КНН), а, следовательно, и фототока зависит от частоты модуляции светового потока ω. В предельных случаях, когда и , можно найти значения КНН, не решая уравнение (1). При (период , квазистационарный режим) , если . В этом случае равно:

.  (2)

Рассмотрим другой предельный случай: , . При высоких частотах [] КНН не успевает отслеживать изменение светового потока, следовательно, . Интегрируя (1) при указанных граничных условиях и учитывая, что и , получим:

,  (3)

где - функция, обратная функции . Из выражений (2) и (3) следует, что среднее значение КНН при частотах и отличаются и зависят от частоты модуляции, формы импульсов возбуждающего излучения. Предложенный способ нахождения исключает необходимость решения дифференциального уравнения (1). С помощью уравнений (2) и (3) были найдены предельные значения для , среднего значения фототока при импульсном оптическом возбуждении и при треугольной форме оптических сигналов. Предельные значения для в двух перечисленных случаях равны:

а)  ,  б)  , (4)

а)  ,  б)  , (5)

где КНН при возбуждении интенсивностью , g-скважность прямоугольных импульсов света. Полученные выражения могут быть использованы для определения закона рекомбинации (k). Например, при высоком быстродействии фоторезистора, когда сложно получить прямоугольные импульсы света с фронтом , можно воспользоваться соотношением (5 б) при для вычисления k:

, (6)

где - фототок при стационарном возбуждении; - среднее значение фототока при периодическом возбуждении сигналом пилообразной формы при . В диссертации получены аналитические выражения при квадратичной рекомбинации [], рекомбинации вида и предельные значения для в этих случаях. Анализ экспериментальных результатов и полученных моделей показывает, что при , уменьшается с увеличением частоты модуляции света. При этом для времени жизни свободных носителей при наличии возбуждения и снятии возбуждения, выполняется соотношение . При растет с увеличением частоты модуляции света, при этом . Полученный вывод был экспериментально подтвержден на фоторезисторах на основе CdS, Si (рис. 2, 3, 4).

Рис. 2. А - Экспериментальные осциллограммы нарастания (1) и затухания (2) фототока фоторезистора на основе CdS, с., . Б - Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости среднего значения фототока от частоты

Рис. 3. А - Экспериментальные осциллограммы нарастания (1) и затухания (2) фототока фоторезистора на основе CdS, легированного бором, путем ионной бомбардировки (Е=100кэВ). , Б - Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости среднего значения фототока от частоты

Среднее значение квантовой эффективности фотоприемника может быть записано в виде:

.  (7)

Рис. 4. Экспериментальная и теоретическая зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока. Параметр k=1,3641791- рассчитан с помощью соотношения (4 б)

Значения , зависят от частоты модуляции света, а среднее значение фотонов (), падающих на поверхность фотоприемника, остается постоянным с изменением частоты модуляции света. Следовательно, квантовая эффективность фотоприемника может изменяться при неизменной средней интенсивности (мощности) падающего излучения. Объясняется этот факт тем, что при изменении частоты следования световых импульсов, изменяется средняя запасенная внутренняя энергия. Это значит, в динамике изменяется средняя доля поглощенного света, которая идет на изменение внутренней энергии.

Четвертая глава содержит описание результатов исследования функциональных свойств фоторезистора, математического моделирования и экспериментального исследования процессов, обеспечивающих совмещение функций приёма и детектирования модулированных оптических сигналов в самом фотоприёмнике, а также способ управления электрическими сигналами с помощью оптических сигналов устройством на основе фоторезистора.

В настоящее время фотоприемник в оптронных устройствах в основном выполняет функцию преобразователя оптических сигналов в электрические сигналы. При этом он обеспечивает идеальную развязку и отсутствие обратного действия на источник оптического излучения. Все дальнейшие операции, связанные с обработкой сигнала и извлечением информации, выполняет электроника. Операция умножения является одним из основных способов оптической и электронной обработки информации и осуществляется опосредованно, путем возведение в квадрат суммы двух сигналов. В отличие от аналогового транзисторного перемножителя, фоторезистор, может осуществлять непосредственное перемножение двух сигналов, один из которых оптический (Ф), а другой напряжение, приложенное к фоторезистору (U).

, (8)

где -проводимость, . Согласно (8) ток на выходе фоторезистора пропорционален произведению двух сигналов. Рассмотрим процесс совмещение функций приёма и синхронного детектирования модулированных оптических сигналов в самом фотоприёмнике. Для обсуждения принципиальных вопросов, связанных с функциональными возможностями фоторезистора, будем в дальнейшем полагать, что проводимость обусловлена носителями одного знака (электронами), полупроводник является беспримесным. Контакты, будем полагать, омическими и в процессе фотовозбуждения полупроводник остается электронейтральным. Генерация светом свободных носителей в объеме образца является однородной, т.е. , где - коэффициент поглощения полупроводника, - его толщина. Постоянную времени жизни свободных носителей () будем считать малой , где - наивысшая частота в спектре модулированного по интенсивности света. Пусть поднесущая оптического сигнала получена в результате модуляции интенсивности света с частотой . Оптический амплитудно-модулированный по интенсивности сигнал имеет вид:

, (9)

где - частота поднесущей оптического сигнала, - частоты гармоник модулирующего сигнала. В этом случае возможно совмещение в фотоприемнике приема оптического сигнала и синхронного детектирования при подаче на фоторезистор напряжения с частотой поднесущей . Сигнал на выходе фоторезистора будет содержать модулирующий сигнал:

. (10)

Гармоники с частотами равными могут быть удалены на выходе фоторезистора фильтром низких частот. Рассмотрим процесс детектирования в случае угловой модуляции поднесущей. Пусть оптический сигнал с угловой модуляцией поднесущей при индексе угловой модуляции имеет вид:

.  (11)

При подаче на фоторезистор напряжения с частотой, равной частоте поднесущей , сигнал на выходе фоторезистора будет содержать модулирующий сигнал, который может быть выделен фильтром низких частот:

.  (12)

Если оптический сигнал модулирован по оптической частоте, то для детектирования оптических сигналов применяется гетеродинный метод приема сигналов. Для выделения информации из колебаний промежуточной частоты используется электрический детектор. Применение высокочастотного питания фоторезистора, с частотой равной промежуточной, позволяет осуществить синхронное детектирование такого сигнала без применения электронных детекторов. Рассмотрим математическую модель этого процесса. Пусть и напряженности электрического поля оптического сигнала несущего информацию, и оптического сигнала гетеродина; , - соответственно частоты оптического сигнала и сигнала гетеродина, отличающиеся на частоту радиодиапазона. Мощность оптического сигнала на частоте радиодиапазона равна:

.  (13)

Ток фоторезистора при подаче переменного напряжения будет содержать гармонику сигнала, мощностью , при условии .

,  (14)

где , , - темновая проводимость, - фотопроводимость. При выполнении условия: , на выходе фоторезистора появится составляющая тока, пропорциональная сигналу сообщения:

. (15)

Следовательно, фоторезистор, в данном случае, выполняет одновременно три функции: 1) регистрирует модулированный оптический сигнал и сигнал гетеродина; 2) осуществляет смешивание оптического сигнала и сигнала гетеродина; 3) осуществляет операцию детектирования при подаче на него переменного напряжения с частотой . Такое решение, во-первых, резко упрощает схему приема и обработки оптического сигнала, несущего информацию. Во-вторых, повышает качество обработки информации за счет снижения нелинейных искажений и, в-третьих, сокращает время задержки сигнала.

Рассмотрим возможность управления электрическими сигналами при помощи оптических сигналов устройством на основе фоторезистора. Смеситель (перемножитель) сигналов является базовым элементом многих радиотехнических устройств, например модуляторов.

Пусть оптический сигнал, несущий информацию за счет модуляции по интенсивности, имеет вид:

, (16)

где - постоянная составляющая интенсивности света, , , - соответственно амплитуда, частота и фаза гармоник, изменяющейся во времени интенсивности света. Подавая на фоторезистор высокочастотное напряжение вида , при условии , получим выражение для тока на выходе фоторезистора:

,  (17)

где , - частота высокочастотного сигнала, - амплитуда переменного напряжения, темновой ток, - фототок при освещении интенсивностью , - фототок при освещении интенсивностью , - наивысшая частота в спектре модулированного по интенсивности света. Из выражения (17) следует, что фоторезистор может выполнять функцию модулятора (смесителя) двух сигналов с частотами k и , не внося, в отличие от транзистора, дополнительных гармоник, кратных k и , поэтому нет необходимости применения дополнительных фильтров. Используя выражения (17), получим соотношение для глубины модуляции амплитудно-модулированного (АМ) сигнала:

. (18)

Из (18) следует, что , т.к. всегда выполняется неравенство . С помощью фоторезистора можно проводить спектральный анализ оптических сигналов, модулированных по интенсивности оптических сигналов и электрических сигналов. При на выходе фоторезистора появится низкочастотный ток с амплитудой пропорциональной амплитуде k-ой гармоники исследуемого сигнала. Следует отметить, что в качестве анализируемого сигнала может выступать приложенное к фоторезистору напряжение или модулированный по интенсивности оптический сигнал. Простейшая действующая схема анализатора спектра гармоник модулированных по интенсивности оптических сигналов представлена на рис.6.

Рис. 6. Простейшая схема анализатора спектра: 1 - фоторезистор, 2 - перестраиваемый генератор, 3 - гальванометр магнитоэлектрической системы, 4-источник света

В таблице 1 приведены данные по спектральному анализу прямоугольных импульсов света (скважностью ) с частотой следования импульсов 100 Гц. Там же приведен спектральный состав меандра с , полученный в результате разложения меандра в ряд Фурье. За единицу принята амплитуда первой гармоники. Вплоть до девятой гармоники наблюдается совпадение с точностью 1% ,соответствующей точности измерения гальванометра (М-95). В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе высокоомного кремния.

Таблица 1

  k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Эксперимент

1

0

0,33

0

0,2

0

0,14

0

0,11

Расчет

1

0

0,333

0

0,2

0

0,1428

0

0,111

Следует отметить, что рассмотренный способ получения АМ-колебания не позволяет получить балансно-модулированное колебание. Рассмотрим другой способ подачи несущего колебания на фоторезистор, позволяющий получить балансно-модулированное колебание. Пусть в качестве несущего сигнала выступает оптический сигнал, модулированный по интенсивности с частотой  несущего сигнала ():

. (19)

Модулирующим сигналом будем считать однотональный сигнал вида:

. (20)

Ток на выходе фоторезистора будет равен:

, (21)

где - темновой ток при постоянном напряжении ; - фототок при напряжении ; - фототок при напряжении ; - темновой ток. Выражение (21) содержит амплитудно-модулированный сигнал. В данном случае глубина модуляции равна:

.  (22)

Так как может быть больше , следовательно, возможно получение балансно-модулированного колебания. Но при этом необходимо применение фильтра высоких частот для удаления низкочастотного колебания . На рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные осциллограммы балансного колебания, полученного с помощью фоторезистора на основе высокоомного кремния. Второй способ позволяет получать АМ и балансно-модулированное колебания, при отсутствии нелинейных искажений модулирующего сигнала, в том числе в случае нелинейной кинетики фотопроводимости. Достоинствами обоих способов получения АМ сигналов с помощью фоторезистора является простота конструкции и идеальная гальваническая развязка несущего и модулирующего колебания.

Таким образом, проведенное рассмотрение показывает, что в фоторезисторе возможно совмещение операций приема и обработки (детектирования) модулированных оптических сигналов. Совмещение в фотоприемнике функций приема и детектирования, без элементов электроники, позволит выносить электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов.

Рис. 5. Экспериментальная (1) и теоретическая (2) осциллограммы балансно-модулированного колебания на выходе фильтра. Коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции (Гц) равен 0,1. частота несущего сигнала. (1).

Такое решение позволяет обеспечить непрерывный переход из оптических систем передачи данных в электронные. Фоторезистор можно назвать фотонным аналогом транзистора, выполняющим функцию прямого аналогового умножения сигналов. Фоторезистор может заменить транзистор в системах обработки электрических сигналов с помощью оптических сигналов, обеспечивая гальваническую развязку и повышение точности преобразования электрических сигналов.

В пятой главе изучаются нелинейные искажения, вносимые фотоприемником в регистрируемый модулированный по интенсивности оптический сигнал. Рассмотрено влияние кинетики фотопроводимости, инжекционных явлений, схемы измерения на нелинейные искажения.

Реальный фоторезистор является нелинейным элементом, даже при омических контактах и однородной генерации носителей светом в объеме. Нелинейная зависимость проводимости фоторезистора от уровня освещения связана с нелинейной кинетикой процессов рекомбинации. Кинетическое уравнение при гармоническом возбуждении в рамках ранее принятых приближений запишется как:

, (23)

где , , , А - скорость генерации носителей светом, , -коэффициент поглощения света, -квантовый выход, -интенсивность света в квант/секм2, , R - коэффициент отражения, - время жизни свободных носителей при низком уровне освещения. При высоком уровне инжекции , решение (23) в квазистационарном приближении , может быть найдено в аналитическом виде. Полагая , получим:

.  (24)

Разлагая выражение (24) в ряд Фурье, определим коэффициент нелинейных искажений (КНИ), вносимых фоторезистором при квадратичной рекомбинации:

(25)

Это предельное значение КНИ фоторезистора в случае квадратичной рекомбинации, работающего при условии . Рассмотрим промежуточные случаи. Разделим соотношение (23) на 2.

,  (26)

где - относительная концентрация, =t/τn, - относительная скорость генерации свободных носителей. В уравнении (26) постоянная времени при низком уровне возбуждения равна единице, следовательно, - граничная частота при низком уровне инжекции. Для сравнения с экспериментом использовались следующие соотношения, полученные из (26), при стационарном освещении интенсивностью при условии :

, , (27)

где - отношение стационарной неравновесной концентрации свободных носителей к равновесной; - темновой ток; - ток при стационарном освещении интенсивностью , измеряемые экспериментально. При расчетах была обнаружена закономерность, которая связывает КНИ (S) с глубиной модуляции (M):

. (28)

На рис. 7 приведены теоретические и экспериментальные зависимости КНИ в зависимости от уровня возбуждения и глубины модуляции. Уровень возбуждения рассчитывался из соотношения . Вплоть до высокого уровня возбуждения (Y = 6) КНИ линейно зависит от глубины модуляции. Все расчеты были проведены при низкой частоте с-1, которая значительно меньше граничной частоты, равной . Приемлемые нелинейные искажения, менее одного процента, могут быть получены при глубине модуляции менее 0,05. Для исключения нелинейных искажений модулирующего сигнала он должен подаваться на фоторезистор в виде напряжения, а высокочастотный - в виде модулированного по интенсивности оптического сигнала (см. главу 4). В этом случае нелинейные искажения будут обусловлены только устройством, преобразующим сигнал сообщения в напряжение.

Рис. 7. Экспериментальная и теоретическая зависимости КНИ:

1- от глубины модуляции М, 2-от относительной концентрации .

В диссертации рассмотрен случай межзонной кубической рекомбинации вида:

,  (29)

где - относительная концентрация, - относительная скорость генерации. В случае КНИ достигает значения 34,6%. 

Анализ влияния примесей на нелинейные искажения фототока проведен на примере полупроводника с двумя примесными уровнями. Кинетические уравнения в безразмерных координатах для полупроводника с донорным и рекомбинационным уровнями записаны в виде:

  ,  (30)

,  (31)

где - относительная концентрация ионизованных центров рекомбинации; -относительная концентрация электронов, инжектированных светом в зону проводимости; -относительная концентрация центров захвата (ловушек); -относительная скорость теплового освобождения ловушек; - относительный коэффициент захвата электронов из зоны проводимости ловушкой; - относительная интенсивность возбуждения; -относительное время, измеренное в единицах .

В таблице 2 приведена зависимость КНИ (S примес., %).) от относительной избыточной концентрации () в случае рассматриваемой модели. Там же приведены эти данные для собственного полупроводника (Sсобст., %.). КНИ в случае примесного полупроводника значительно ниже и отличается почти в два раза в сторону меньших значений.. В случае примесного полупроводника КНИ, равный 18%, достигается при относительном уровне возбуждения равным 40. Это означает, что в случае примесного полупроводника возможно получение более глубокой модуляции при меньших нелинейных искажениях. Расчет проводился при следующих данных: в единицах , , , .

Таблица 2

М

0,09

0,17

0,23

0,286

0,33

0,5

0,67

0,75

0,2

0,4

0,6

0,8

1

2

4

6

Sсобст, %

2,27

4,16

5,76

7,13

8,32

12,46

16,5

18,46

Sпримес, %

1,13

2,09

2,92

3,65

4,3

6,7

9,6

11,4

Для анализа нелинейных искажений, связанных с контактной инжекцией, мы воспользовались феноменологическим соотношением для переменного тока:

, (32)

где А - const, зависящая от типа и параметров полупроводника, амплитуды напряжения; b- параметр, который изменятся от 0 до 1 в зависимости от уровня и вида инжекции. Если , то это соответствует квадратичному закону инжекции. Выражение (32) справедливо при , где -время диэлектрической релаксации. На рис.8 представлена зависимость КНИ от уровня инжекции .

Рис. 8. Зависимость коэффициента нелинейных искажений S

от уровня инжекции b

В случае кубического закона КНИ может достигать 80%. Следовательно, для обеспечения малых нелинейных искажений, необходимо избегать таких режимов работы.

Шестая глава посвящена технологии изготовления и исследованию порошковых электролюминесцентных структур, совмещающих в себе функции источника излучения и оптической памяти.

В настоящее время исследователи в основном заняты изучением плёночных ЭЛК, полученных методом эпитаксии на подложке. Такие ЭЛК обладают более высокими параметрами, чем порошковые. Основной недостаток пленочных ЭЛК является малая площадь излучения и сложность изготовления. Устаревшая технология изготовления порошковых ЭЛК- главное препятствие их применения и совершенствования. Поэтому нами была разработана новая конструкция и технология изготовления порошковых ЭЛК, совместимая с технологией применяемой в микроэлектронике, описание которой приведено во второй главе. Новые порошковые ЭЛК обеспечили высокую повторяемость результатов и возможность исследования электролюминесценции в отсутствии связующего. Высокое качество современных порошковых люминофоров, простота разработанной нами технологии изготовления ЭЛК на их основе, высокая светоотдача, сравнимая с плёночными ЭЛК, делают перспективными  порошковые ЭЛК для создания различных устройств на их основе.

Эффективность процессов электролюминесценции, как показывает эксперимент, зависит как от величины приложенного напряжения, так и от скорости изменения напряжения. В литературе отсутствует теоретический анализ этого процесса. Из проведенных нами экспериментов видно (рис. 9), что мгновенное значение интенсивности люминесценции вспышки включения резко изменяется при изменении длительности фронта нарастания. Время нарастания ()свечения у вспышки включения всегда заканчивается в момент (Т) прекращения нарастания импульса напряжения (рис. 9).

Рис. 9. Осциллограммы свечения люминофора ЭЛ-515 при различной длительности фронта нарастания импульса напряжения tи для импульса включения (U0 = 299В, Т = 5,710-3с, Т1 = 2,910-3с) и значения энергии излучения W за период: 1 W=23 отн.ед., tи=10мкс; 2 W=23 отн.ед., tи=40мкс

Из этого факта следует, что должна выполняться следующая зависимость между скоростью генерации и скоростью изменения напряжения:

,  (33)

где , - непрерывная функция, пропорциональная вероятности ионизации полем; - значение напряжения в данный момент времени; Up - пороговое напряжение, соответствующее началу процесса ионизации.

Соотношение (33) верно при . Покажем, что в этом случае энергия излучения не будет зависеть от длительности фронта импульса, а будет определяться только значением порогового напряжения и максимальным значением напряжения в импульсе. Известно, что

, где ,  (34)

поэтому:

. (35)

Здесь Ν* число ионизованных центров свечения, tп время достижения напряжения величины, равной пороговому, время окончания процесса ионизации. , где Т - время нарастания напряжения до U0, γ квантовый выход. , так как . Из (35) следует, что энергия вспышки зависит от значения порогового напряжения () и максимального значения напряжения (). Из (33, 34, 35) при  , получим:

. (36)

Из (36) следует известный экспериментальный закон , реализующийся при линейном нарастании приложенного напряжения . Проведенный эксперимент показал, что зависимости, построенные в координатах , для люминофора ЭЛ-515 и для люминофора ЭЛ-525 при различных частотах переменного напряжения, являются линейными. Следовательно, зависимость энергии W (яркости В) от напряжения в произвольном случае должна иметь вид:

. (37)

Выражение для скорости генерации, согласно (37), равно:

.  (38)

Согласно проведенным экспериментам, энергия вспышки включения равна энергии вспышки выключения при и . Используя этот результат и выражения для скорости ионизации полем (33) и (38) нами получено дифференциальное уравнение процесса кинетики при условии, что :

,  (39)

где функция, характеризующая скорость рекомбинации свободных носителей на центры свечения. Используя равенство (39), с учетом переходных процессов в цепи, содержащей активное сопротивление и емкость, получим:

,  (40)

где - интенсивность свечения люминофора в единицах квант/с. Полагая, что в максимуме , и пренебрегая в уравнении (40) слагаемым , получим выражения для положения максимума и сдвига максимума свечения от амплитуды импульса с учетом ():

, ,  (41)

где m = соnst. На рис. 10(А, Б) построены теоретические (1) и экспериментальные (2) зависимости сдвига максимума свечения от приложенного напряжения при неизменном RC для люминофоров ЭЛ-515 и ЭЛ-525 соответственно.

Рис.10. Зависимость tmax от напряжения U02.

А - ЭЛ-515, Б - ЭЛ-525. При (s-2)RC=20мкс., U01 =180В

Величина была рассчитана из экспериментальных кривых. Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических кривых, построенных по формуле (41), является доказательством правильности соотношения (40).

Полученные выражения для скорости генерации позволили сделать вывод о причинах различия вспышек включения и отключения. Если , то вспышка включения должна превышать вспышку выключения. Если , то вспышка включения будет меньше вспышки выключения.

Для исследования зонной структуры порошковых люминофоров с рекомбинационным типом свечения нами предложен метод ТСЕ (рис. 11).

Рис. 11. А - Конструкция планарного электролюминесцентного конденсатора. Б - Эквивалентная схема структуры: 1 алюминиевые электроды, 2 ситалловая подложка, 3 слой люминофора, 4 слой диэлектрика

На основе соотношения В.И. Оделевского было получено выражение для ёмкости слоя люминофора () в нашей структуре:

, (42)

где х2 - доля объема слоя, занимаемого люминофором; С0 - геометрическая емкость области занимаемой люминофором; А, В-величины зависящие от величины приложенного напряжения, геометрических размеров структуры; -концентрация свободных носителей в кристаллах люминофора. Концентрация свободных носителей является функцией температуры ns= ns(T). Определяя максимум функции Сл.экв(T) из выражения (42) получаем, что , если . Это условие совпадает с условием максимума термостимулированной проводимости (ТСП). Следовательно, для расчета глубины центров захвата, можно использовать соотношения, применяемые при расчетах по кривым ТСП. Метод ТСЕ может быть использован только для люминофоров с рекомбинационным типом свечения. В люминофорах ЭЛ-515, ЭЛ-525 и КО-530 методом ТСЕ обнаружены глубокие центры захвата (более 0,78эВ), которые из-за температурного тушения не проявляются при термовысвечивании (ТВ). На рис. 12 приведены кривые ТВ и ТСП для люминофора ZnS-In. На кривой ТВ у люминофора ZnS-In в области низких температур проявляется три пика при Т1 = Ц160 0С, Т 2 = Ц88 0С, Т 3 = Ц45 0С, а в области высоких температур - один пик при Т4= +110 0С, причем пик при температуре Т1 является сложным. Глубины залегания центров захвата равны соответственно Е1 = 0,24эВ, Е2= 0,398эВ, Е3= 0,49эВ и Е4 =0,8эВ. На кривой ТСЕ наблюдается два пика в высокотемпературной области при Т =+1280С (0,78эВ) и в низкотемпературной - Т=Ц200С (0,49эВ). Из кривых ТСЕ следует, что в низкотемпературной области термическое опустошение ловушек не сопровождается появлением свободных носителей, следовательно, центры захвата должны иметь возбужденные состояния, находящиеся в запрещенной зоне. Впервые с помощью емкостного метода изучены явления перераспределения зарядов по уровням локализации у люминофора ZnS-In (рис. 13, рис. 14).

Рис. 12. Кривые ТВ (1) и ТСЕ (2) люминофора ZnS-In (f=5кГц)

Рис. 13. Кривые ТВ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=1100С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при 196 0С (2)

Рис. 14. Кривые ТСЕ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=1100С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при 196 0С (2)

Рис. 15. Зонная схема люминофора ZnS-In

По кривым ТВ и ТСЕ обнаружено, что переселение зарядов с уровня Е1= 0,398 эВ (-88 С) на уровень Е2= 0,29 эВ (-138 С) осуществляется без перехода в зону проводимости. На кривых ТСЕ (рис.14) не наблюдались максимумы в этой области температур, соответствующих максимумам Т (рис.13). На основе этого вывода была уточнена энергетическая зонная схема данного люминофора, в которой центры с энергиями Е1 и Е2  не имеют возбужденного состояния в зоне проводимости (рис.15). Таким образом, анализ процессов переноса зарядов с одних мест локализации на другие, а также кривых ТВ и ТСЕ позволяет уточнять зонную схему различных порошковых люминофоров.

В качестве устройств оптической памяти нами были использованы полученные ЭЛК. Если после прекращения освещения отключить напряжение и замкнуть контакты возникает вспышка свечения областей структуры, которые были освещены светом. Механизм запоминания следующий: при освещении происходит переход электронов в зону проводимости, а под действием приложенного напряжения часть электронов выходит из области кристалла на границу с диэлектриком. После отключения света и поля свободные носители удерживаются на границе кристаллов полем заряда металлических дорожек. После снятия заряда с дорожек, за счет замыкания контактов, носители возвращаются в объем кристалла и рекомбинируют со свободными центрами свечения. Для исследований использовались электролюминофоры типа ЭЛ-515, ЭЛ-525, ЭЛ-670. Возбуждение образцов осуществлялось светом с . На рис. 16 приведена кривая спада яркости вспышек от времени хранения для люминофора ЭЛ-525 при температуре Ц196 С.

Как видно из рис. 16, время хранения оптической информации достигает одного часа. Проведенные исследования позволили сделать вывод о способе повышения времени хранения. Для его увеличения необходимо увеличить толщину диэлектрического слоя на поверхности алюминиевых дорожек.

Рис. 16. Зависимость интенсивности вспышки от времени хранения

для структуры на основе люминофора ЭЛ-525 (t= -196 С)

Сопротивление диэлектрика должно быть сравнимо или на порядок больше, чем сопротивление освещенного образца (Ом). Рассмотрим математическую модель явления оптической памяти. Энергия излучения вспышки может быть найдена из уравнения:

, (43)

где С - емкость конденсатора, U - приложенное напряжение - квантовый выход. Выражение (43) верно для случая полной экранировки. Получим математическую модель вспышки свечения. Полагая, что время возвращения свободных носителей с границ кристаллов определяется временем стекания зарядов с металлических дорожек конденсатора, получим:

, (44)

где N0 - начальное число зарядов на обкладках конденсатора. Дифференциальное уравнение изменения числа ионизованных центров при возвращении свободных носителей с границ зерен кристаллов в объем будет иметь вид:

.  (45)

Уравнение (45) нами решено численным методом. На рис. 17 (А) представлен теоретический график зависимости интенсивности вспышки свечения от времени при следующих значениях параметров в уравнении (45): RC = 10-6c, β = 5⋅10-8 c-1, отн.ед. Хорошее соответствие кривых, представленных на рис. 17 (А, Б) говорит о правильности выбранной для расчета модели.

Рис. 17. А-теоретическая зависимость интенсивности вспышки свечения от времени; Б-экспериментальная осциллограмма вспышки свечения структуры с люминофором ЭЛ-515

Проведенные исследования показали, что планарная структура типа МДПДМ на основе порошковых люминофоров может быть использована как устройство хранения оптической информации. Длительность хранения зависит от сопротивления диэлектрической прослойки и температуры. В качестве люминофоров должны использоваться полупроводники, в которых возбуждение сопровождается переходом электронов в зону проводимости. Для получения цветных изображений необходимо использовать смеси люминофоров, которые излучают в синей, зеленой и красной областях спектра.

В седьмой главе приводятся практические результаты работы. Рассмотрены ряд устройств, в которых фоторезистор выступает в роли смесителя. На рис.18 приведена блок схема передатчика с амплитудной модуляцией. Модулирующий сигнал подается на источник света 8. От источника света оптический сигнал, изменяющийся по закону модулирующего сигнала, поступает по световоду 9 на фоторезистор 3. На выходе фоторезистора согласно (17) появится амплитудно-модулированный сигнал, который по линии связи поступает на усилитель 5 и далее через согласующую линию связи 6 в антенну 7. Наличие световода, по которому распространяется модулирующий сигнал, позволяет обеспечить высокую скрытность источника сообщения. КНИ такого передатчика зависит в основном от уровня возбуждения фоторезистора (глубины модуляции). КНИ смесителя передатчика зависит от глубины модуляции и достигает S=2% при глубине модуляции M=10%. Для исключения нелинейных искажении, связанных с модулятором, необходимо несущий сигнал подать на источник света, а модулирующий - на фоторезистор. Предлагаемое решение значительно проще аналога за счет идеальной развязки несущего и модулирующего колебания и имеет низкий КНИ, S<0,1% для второго случая.

Рис. 18. Блок схема передатчика с амплитудной модуляцией: 1- перестраиваемый высокочастотный генератор, 2, 4 и 6- линии связи, 3-фоторезистор, 5-усилитель мощности, 7-антенна, 8-источник света, управляемый сигналом сообщения, 9-световод

Рассмотрим анализатор спектра электрических сигналов, в котором в качестве смесителя выступает фоторезистор (рис. 19). Исследуемый сигнал подается на усилитель входного сигнала 1. Гармонический сигнал с перестраиваемого гетеродина 5 подается на источник света 6. Оптический сигнал, интенсивность которого изменяется по закону сигнала гетеродина, поступает по световоду 8 на фоторезистор 2. На выходе фоторезистора появится сигнал, частоты гармоник которого будут равны разности частот гармоник анализируемого сигнала и частоты гетеродина. Далее сигнал с фоторезистора поступает на фильтр низких частот 3.

Рис. 19. Последовательный анализатор спектра электрических и модулированных оптических сигналов на основе резисторного оптрона:

1усилитель, 2 фоторезистор, 3 фильтр низких частот, 4 регистрирующие устройство, 5 перестраиваемый гетеродин, 6 источник света, 7 частотомер, 8 световод

Если < , ( - полоса пропускания полосового фильтра низких частот) сигнал с фильтра низких частот поступает на регистрирующее устройство 4, которое измеряет амплитуду гармоники . Частота данной гармоники измеряется частотомером 7. Предлагаемый анализатор спектра отличается простотой изготовления, высокой точностью и может быть реализован на основе существующих перестраиваемых генераторов исполняющих роль гетеродина, фоторезисторных оптопар, частотомеров, усилителей и вольтметров.

В качестве управляемого сопротивления во многих радиотехнических устройствах используется полевой транзистор. Основным недостатком таких устройств, являются отсутствие гальванической развязки между несущим и модулирующим сигналом, и нелинейные искажения. Эти недостатки можно исключить или уменьшить при использовании фоторезистора в качестве управляемого сопротивления. На рис.20 (А) представлена схема фазового модулятора на основе мостовой схемы, где транзистор, в качестве управляемого сопротивлении, заменен фоторезистором. На вход схемы подается высокочастотный сигнал Uвхω с частотой ω. Модулирующий сигнал (сигнал сообщения) подается на источник света 6. Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения по световоду 5, поступает на фоторезистор 3. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом, а, следовательно, в соответствии с сигналом  сообщения. В результате фаза высокочастотного сигнала на выходе устройства будет изменяться по закону:

. (46)

При небольших уровнях освещенности, фоторезистор является линейным элементом и его проводимость, в отличие от прототипа, линейно зависит от интенсивности света, т.е. от управляющего сигнала. На рис.20 (В) приведена зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции.

Рис.20. А - схема фазового модулятора на основе мостовой схемы с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления: 1, 2 - резисторы, 3 - фоторезистор, 4 - конденсатор, 5 - световод, 6 - управляемый сигналом сообщения источник света. B - зависимость КНИ (S) от индекса угловой модуляции (m)

Измерения показали, что КНИ, вносимый фоторезистором совместно со светодиодом, равен 0,25% при глубине модуляции М=0,2. Использование фоторезистора в качестве управляемого элемента в фазовом модуляторе на основе мостовой схемы выгодно отличает предлагаемый фазовый модулятор от указанного прототипа, так как уменьшает КНИ, повышая качество передаваемого сигнала и обеспечивая высокую скрытность источника сообщения. Это связано с тем, что источник сообщения может быть удален от радиостанции с фазовым модулятором на значительное расстояние с помощью световода.

На рис. 21 приведена схема фазового модулятора для высоких частот несущего сигнала. В этой схеме в качестве управляемого сопротивления также можно использовать фоторезистор вместо полевого транзистора. Сдвиг фазы в такой цепи  на частоте записывается в виде:

  , (47)

где σ - проводимость фоторезистора, ω - частота входного высокочастотного напряжения, L - индуктивность, входящая в схему. Частота сигнала должна удовлетворять равенству:

, (48)

где C - емкость. В этом случае коэффициент передачи схемы при любом сопротивлении фоторезистора равен единице и паразитной амплитудной модуляции не будет.

Рис. 21. Схема фазового модулятора на основе RLC - делителя с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления: 1- емкость, 2- индуктивность, 3- фоторезистор, 4 источник света, 5- световод

Модулирующий сигнал (сигнал сообщения) подается на источник света (4). Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения по световоду 5, поступает на фоторезистор 3. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом, а, следовательно, в соответствии с сигналом сообщения. В результате фаза высокочастотного сигнала на выходе устройства будет изменяться по закону (47).Нами была проведена оценка КНИ при следующих значениях элементов схемы:  С = 0,5пФ, ωL = 104 Гнс-1, сопротивление фоторезистора изменялось в пределах от 200 кОм до 40 кОм. На рис. 22 приведена зависимость КНИ от сопротивления фоторезистора и сдвига фазы для данных значений схемы. Из полученных результатов следует, что применение фоторезистора в качестве управляемого сопротивления снижает КНИ фазового модулятора на основе управляемого RLC - делителя минимум в 2. раза, с 7,5% в случае полевого транзистора до 3,2% в нашем случае при φ = 0,5 рад. На вышеизложенные конструкции были получены патенты на полезные модели.

Рис.22. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от сопротивления фоторезистора (А) и от сдвига фазы (Б)

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

Отмечается, что диссертация посвящена исследованию неравновесных процессов в фоточувствительных полупроводниковых структурах при нестационарном освещении и питании, выявлению особенностей распределения носителей между зонами при периодическом освещении, изучению функциональных свойств фоторезисторных структур при периодическом питании. Развиваемое научное направление связано с решением проблемы интеграцией оптики и электроники. Наиболее важными представляются следующие результаты и выводы.

  1. Получены теоретические и экспериментальные доказательства зависимости среднего значение концентрации свободных носителей и эффективности фоторезистора от частоты модуляции возбуждающего излучения, и закона рекомбинации.
  2. Установлено, что зависимость среднего значение концентрации свободных носителей связана с перераспределением носителей между зонами в полупроводнике при изменении частоты модуляции по интенсивности возбуждающего оптического излучения и зависит от соотношения скоростей процессов рекомбинации при наличии и отсутствии излучения.
  3. Разработан экспериментальный метод и математическая модель определения параметров кинетики фотопроводимости по измерению среднего значения фототока.
  4. Предложен метод Фурье анализа кинетики с помощью переменного напряжения приложенного к фоторезистору.
  5. Установлено, что фоторезисторные структуры являются прямыми перемножителями оптических и электрических сигналов, и могут совмещать функции приема модулированных по интенсивности оптических сигналов и извлечения из них информации. Показана возможность совмещения гетеродинного приема и синхронного детектирования фоторезистором оптических сигналов модулированных по оптической частоте и фазе.
  6. Установлено, что оптические сигналы могут управлять электрическими сигналами с помощью фоторезистора. Предложены на основе фоторезистора устройства для амплитудной, фазовой модуляции, электрических сигналов, синхронного детектирования и спектрального анализа электрических сигналов Получены зависимости коэффициента нелинейных искажений от вида кинетики фотопроводимости, инжекционных явлений.
  7. Разработана новая технология изготовления планарных щелевых электролюминесцентных конденсаторов. Обнаружено явление оптической памяти в планарных щелевых электролюминесцентных конденсаторах.
  8. Доказано, что скорость генерации свободных носителей электрическим полем пропорциональна произведению напряжения приложенного к структуре на скорость изменения напряжения. Получены физические и математические модели процессов скорости генерации полем свободных носителей, оптической памяти в электролюминесцентных структурах типа МДПДМ.
  9. Созданы математическая модель и экспериментальная методика определения глубины центров захвата порошковых полупроводниковых материалов с рекомбинационным типом свечения методом термостимулированной емкости. Определена зонная структура люминофора ZnS-In. Показана возможность переселения свободных носителей через примесные уровни.

Цитируемая литература

  1. арькин А.И., Юу Ф.У.С. Когерентная фотоника. М.:БИНОМ Лаборатория знаний , 2007.-319 с.
  2. Розеншер Б. Винер. Оптоэлектроника М.:Техносфера, 2006.-592 с.
  3. Щука А.А. Электроника четвертого поколения - функциональная электроника? //Инженерная микроэлектроника.- 1998. -№4.-С.30-36
  4. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи М.: СОЛОН-Пресс, 2004.-272 с.
  5. еонид Бараш. Кремниевая фотоника, как альтернатива медным внутренним соединениям. // Компьютерное обозрение. №33(552)
  6. Щука А.А. Функциональная электроника М.: Из-во МИРЭЛ, 1998.-286с
  7. Гальярди Р.М., Карп Ш. Оптическая связь М.: Связь, 1978. -424 с.
  8. Нефедов В.И. Основы радиотехники и связи М.: Высш. шк. 2002.-420 с.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

  1. Денисов Б. Н. Исследование фоточувствительных монокристаллов СdS при переменном смещении / Б. Н. Денисов, Б. М. Орлов, В. В. Лосев, Н. Н. Погорелова // Тезисы докладов 8 Всесоюзной конференции по микроэлектронике. М., 1978. С.57-58.
  2. Денисов Б. Н. Исследование импеданса фоточувствительных монокристаллов СdS с невыпрямляющими контактами / Б. Н. Денисов, Б. М. Орлов, В. В. Лосев, И. М. Колдаев // Сборник научных трудов по проблемам оптоэлектроники Полупроводниковые приборы. М., 1979. С.94-99.
  3. Денисов Б. Н. Фотоэлектрические свойства диодных структур на основе ZnS при переменном смещении / Б. Н. Денисов, Б. М. Орлов, В. В. Лосев, С. Н. Дацко // 2 Всесоюзное совещание по широкозонным полупроводникам. Ленинград, 1979. С.46.
  4. Денисов Б. Н. Нелинейная резонансная поляризация монокристаллов CdS в области радиочастот./ Тезисы докладов V Всесоюзного совещания физики и технике применения полупроводников А2В6. Вильнюс, 1983. Т.1. С.48.
  5. Денисов Б. Н. Об эффективности преобразования импульсного ИК излучения в видимое люминофорами Y2O2S-Yb,Er и NaYEr-Yb,Er / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, Е. В. Локтев, С. П. Ушаков // Тезисы докладов V Всесоюзного совещания синтез, технология исследования, технология и применение люминофоров. Ставрополь, 1985. С. 62.
  6. Денисов Б. Н. Установка для исследования кинетики свечения люминофоров / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, В. Я. Гришаев // Светотехника. 1989. №10. С.10-11.
  7. Денисов Б. Н. Выход люминесценции двухуровневой системы при импульсном возбуждении // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Межвуз. сб. науч. тр. Саранск, 1990. С.85-90.
  8. Денисов Б. Н. Время жизни возбужденных состояний центров люминесценции фосфоров и разделение их спектров свечения на индивидуальные полосы / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Тезисы докладов VII Всесоюзного I Международного совещания Физика, химия и технология люминофоров. Ставрополь, 1992. С. 14.
  9. Денисов Б. Н. Методика разделения спектров свечения люминофоров / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Светотехника, 1993. № 3. С. 3-4.
  10. Денисов Б. Н. К расчету переходных процессов при импульсном возбуждении, описываемых дифференциальными уравнениями первого порядка / Б. Н. Денисов, А. П. Королев, Е. В. Никишин // Математическое моделирование, 1995. Т. 7. №5. С. 51.
  11. Денисов Б. Н. Расчет установившегося процесса в линейных системах при периодическом возбуждении / Б. Н. Денисов, А. П. Королев // Математическое моделирование, 1995. Т. 7. №5. С.50.
  12. Денисов Б.Н. Эффективность свечения антистоксовых люминофоров при импульсно-периодическом возбуждении/ Б.Н Денисов, В.А. Горюнов, В.Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Математическое моделирование, 1997.- т.9. - №10. - С.14.
  13. Денисов Б. Н. Расчет свечения антистоксовых люминофоров при периодическом импульсном возбуждении / Б. Н. Денисов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин, А. П. Королев // Тезисы докладов 2 Международной конференции Дифференциальные уравнения и их приложения. Саранск, 1996. С. 85.
  14. Денисов Б. Н. О выпрямляющих свойствах фоторезисторов, работающих в продольном режиме / Б. Н. Денисов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1996. С. 86.
  15. Денисов Б. Н. Исследование электро- и фотолюминесценции при импульсном УФ-возбуждении / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина, В. Я. Гришаев // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации. Кисловодск, 1996. С. 85.
  16. Денисов Б. Н. Выход фотолюминесценции системы частиц с n-уровнями энергии при периодическом возбуждении / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, А. П. Королев, Е. В. Никишин // Тезисы докладов Международной конференции Осветление-96. Варна, 1996. С.25.
  17. Денисов Б. Н. Исследование электролюминесценции кристаллов АДР при постоянном и переменном напряжении / Б. Н. Денисов, Ю. А Маскаев //Тезисы докладов IV Всероссийского с международным участием совещания по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий. Саранск, 1996. С.25.
  18. Денисов Б. Н. Технология изготовления и исследование проволочных электролюминесцентных конденсаторов / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов // Тезисы докладов IV Всероссийского с международным участием совещания по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий. Саранск, 1996. С.15.
  19. Денисов Б. Н. Расчет эффективности люминесценции с квадратичным законом рекомбинации при периодическом возбуждении / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции Проблемы и прикладные вопросы физики. Саранск, 1997. С. 102-103.
  20. Патент на изобретение. № 2075105, 1997, бюл.7 Преобразователь спектра оптического излучения / Денисов Б.Н., Гришаев В.Я., Никишин Е.В., Горюнов В.А., Лавренко Л.М.
  21. Денисов Б. Н. Энергетический выход фотолюминесценции системы с тремя уровнями энергии при периодическом импульсном возбуждении / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, А. П. Королев, Е. В. Никишин // Журнал прикладной спектроскопии. 1997. Т. 64. №2. С. 269-272.
  22. Денисов Б. Н. К расчету эффективности преобразователей энергии, работающих в динамическом режиме / Б. Н. Денисов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин // Труды третьей международной конференции Дифференциальные уравнения и их приложения. Саранск, 1998. С. 120.
  23. Денисов Б. Н. Емкостной метод исследования центров захвата порошковых люминофоров / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов, Е. В. Никишин // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26. Вып. 11. С.47-51.
  24. Денисов Б. Н. Исследование центров захвата цинкосульфидных люминофоров методом термостимулированной емкости / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, В. А. Горюнов, Е. М. Бибанина // Тезисы докладов V Всероссийского с международным участием совещание по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий. Саранск, 2000. С.66-68.
  25. Денисов Б. Н. Исследование полевой скорости генерации свободных носителей в МДПДМ - структурах на основе порошковых люминофоров / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы физики Саранск, 2001. С.48.
  26. Денисов Б. Н. Кинетика процессов разгорания свечения в МДПДМ порошковой электролюминесцентной структуре / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина // Сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции Светоизлучающие системы. Эффективность и применение. Саранск, 2001. С.24-27.
  27. Патент на изобретение № 2175468, Россия, МПК-7 Н 05 В33/26,F21K2/08. Электролюминесцентный источник света / Б. Н. Денисов, А. П. Королев, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов (Россия). Опубл. 27.10.2001. Бюл. №30.
  28. Денисов Б. Н. МДПДМ структура на основе порошковых люминофоров / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов // Учебный эксперимент в высшей школе. 2002. №1. С.16 Ц18.
  29. Денисов Б. Н. Механизм выпрямления тока электролюминесцентным конденсатором / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина // Труды V Международной конференции Оптика, оптоэлектроника и технологии. Ульяновск, 2003. С. 146.
  30. Денисов Б. Н. Исследование явления переселения между центрами захвата в порошковых люминофорах методом термостимулированной емкости / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов // Труды V Международной конференции Оптика, оптоэлектроника и технологии. Ульяновск, 2003. С. 145.
  31. Денисов Б. Н. Исследование миграции энергии в порошковых люминофорах методом термостимулированной емкости / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов // Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы физики. Саранск, 2003. С.40.
  32. Денисов Б. Н. Фазовый модулятор на основе RLC - делителя с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применения: сб. тр. 2-ой межрегион. науч. шк. для студ. и аспирантов. Саранск, 2003. С.126.
  33. Денисов Б. Н. Метод разделения сложных спектров электролюминесценции / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина, В. А. Горюнов // Полупроводниковые и газоразрядные приборы. 2003. №1. С. 68 - 72.
  34. Патент на полезную модель № 36069, Россия, МПК-7 Н 03 С 5/02. Фазовый модулятор / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина (Россия). Опубл. 20.02.2004. Бюл. №5.
  35. Денисов Б. Н. Эффективность люминесценции при импульсно-периодическом возбуждении в рамках вероятностного метода / Б. Н. Денисов, В. А. Горюнов, Е. В. Никишин, А. П. Королев, В. Я. Гришаев // Полупроводниковые и газоразрядные приборы. 2004. №1. С. 74 - 80.
  36. Патент на полезную модель № 39240, Россия, МПК-7 Н 03 С 5/02. Передатчик с амплитудной модуляцией / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, К. Н. Нищев, В. Н. Турышев (Россия). Опубл. 20.07.2004. Бюл. №20.
  37. Денисов Б. Н. Функциональные электрические свойства резисторных оптронов / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Научная сессия посвященная дню радио. Москва, 2005. Вып. LX-2. С. 6-8.
  38. Денисов Б. Н. Влияние скорости генерации носителей на кинетику излучения планарных МДПДМ - структур / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина // Материалы нано- микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. 4-ой межрегион. молодежной науч. шк. Саранск, 2005. С.136.
  39. Денисов Б. Н. Устройство оптической памяти на основе планарных щелевых структур / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, Е. М. Бибанина // Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. Вып. 4. С.70-75.
  40. Патент на полезную модель № 58725, Россия, МПК G01R23/16. Анализатор спектра электрических сигналов / Б. Н. Денисов, В. И. Беглов, К. Н. Нищев (Россия). Опубл. 27.11.2006. Бюл. №33.
  41. Денисов Б. Н. Радиотехнические устройства на основе резисторных оптронов / Б. Н. Денисов // Материалы нано- микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение: сб. тр. 6-ой Всерос. молодеж. науч. шк. Саранск, 2007. С. 149.
  42. Денисов Б. Н. Фоторезистор как многофункциональный элемент оптоэлектроники / Б. Н. Денисов // Радиотехника и электроника. 2007. Т.52. №4. С. 509-512.
  43. Денисов Б. Н. Скорость полевой генерации в электролюминесцентных планарных порошковых структурах / Б. Н. Денисов, Е. М. Бибанина // Журнал технической физики. 2008. Т.78. Вып. 1. С. 74-78.
  44. Денисов Б. Н. Исследование функциональных свойств фоторезистора, питаемого переменным напряжением / Б. Н. Денисов // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. Вып. 2 . С.1-6.
  45. Денисов Б. Н. Фотонный аналог транзистора на основе резисторного оптрона для систем оптической обработки информации / Б. Н. Денисов // Мордовия: наука, инновации, новые технологии. Научно технический, общественно-информационный журнал. 2008. №3.С 47-48.
  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике