CC BY
28
УДК 621.372.412:621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА НА АКУСТИЧЕСКИХ ГАРМОНИКАХ
С.И. Рембеза, В.И. Митрохин, В.В. Свиридов, Р.Е. Просветов
Приведены результаты исследований частотного спектра акустических гармоник полупроводникового пьезоэлектрического резонатора в режиме приема смодулированного оптического сигнала в диапазоне частот 50 кГц - 1 МГц. Измерения проведены для случаев круглой и прямоугольной пластин пьезоэлемента. Установлено, что акустическая добротность резонатора резко уменьшается на частотах ниже 350 кГц, что обусловлено рассеянием энергии упругих колебаний полупроводниковой пластины за счет вязкости воздуха
Ключевые слова: пьезоэлектрический резонатор, полупроводник, оптоэлектроника, оптическое излучение
1. Введение
При любых типах акустических колебаний (изгибные, продольные, крутильные) в объемных пьезоэлектрических резонаторах помимо основной механической моды пьезоэлемента в нем могут возбуждаться также колебания на более высоких гармониках [1]. Это же относится и к фотопьезоэлектрическим резонаторам с пьезоэлементом в виде полупроводниковой пластины [2], которые могут быть использованы в качестве фотоприемников, избирательных по частоте модуляции оптического сигнала [3,4]. Наличие гармоник может приводить к дополнительным частотным каналам приема оптического сигнала. Данная работа посвящена исследованию спектров механических гармоник фотопьезоэлектрического резонатора на основе монокристаллических пластин высоко-омного арсенида галлия круглой и прямоугольной форм.
2. Методика фотопьезоэлектрического возбуждения упругих колебаний в пластинах арсенида галлия
Импульсный оптический способ возбуждения продольных резонансных колебаний и фотопьезо-ЭДС в монокристаллических пластинах полуизолирующего арсенида галлия ос-
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, e-mail: rembeza@yandex.ru
Митрохин Виктор Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, e-mail: mitro4@yandex. ru
Свиридов Владимир Владимирович - ВГПУ, д-р физ.-мат.
наук, профессор, e-mail: xelym@mail.ru
Просветов Роман Егорович - ВГТУ, аспирант,
e-mail: roman_hammer@list.ru
нован на эффекте фотопьезоиндукции, описанном в работе [2].
В качестве материала пьезоэлемента резонатора использовался монокристаллический полуизолирующий GaAs, выращенный методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава и не содержащий специально введенных глубоких примесей (изготовитель - ООО «ГИРМЕТ», Москва). Кристаллы характеризовались удельным сопротивлением порядка 107 Ом-см, оптическим поглощением менее 10 2 см-1 при длине волны 10,6 мкм и подвижностью электронов и дырок 5000 см2-В-1-с-1 и 200 см2-В-1-с-1 соответственно. Плотность дислокаций составляла менее 5000 см-2 [3]. Пьезо-элементом резонатора служили либо круглая подложка GaAs диаметром 50,8 мм с плоскостью среза {100} толщиной 0,4 мм, либо прямоугольный образец шириной 8 мм, вырезанный по диаметру пластины в направлении <110>.
Возбуждение фотопьезоэлектрического резонатора осуществлялось оптическими импульсами от инфракрасного светодиода L53-SF6 с максимумом излучения вблизи длины волны 860 нм, соответствующей области края фундаментального поглощения в арсениде галлия. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Светодиод LED подключался непосредственно к выходу генератора GEN. Генератор настраивался на резонансную частоту соответствующего порядка колебаний фотопьезоэлектрического резонатора FPR, на электродах которого регистрировалось синусоидальное напряжение осциллографом OS и вольтметром V. Добротность резонатора определялась с помощью измерителя добротности QM по методу затухающих колебаний [3].
Рис. 1. Схема измерения фотопьезоэлектрических свойств
резонатора; GEN - генератор ГЗ-102; LED - светодиод L53-SF6, FC - частотомер Ч3-34А; R - переменный резистор, служащий нагрузкой фотопьезоэлектрического резонатора; С - разделительный конденсатор; QM-измеритель добротности; V - цифровой вольтметр В7-27А/1
3. Экспериментальные результаты
Результаты измерений частотного спектра акустических мод пьезоэлемента для случаев круглой и прямоугольной пластин арсенида галлия представлены на рис. 2 и 3 соответственно. Фотопьезоэлектрическое возбуждение упругих колебаний пластин осуществлялось оптическими импульсами с энергией фотонов вблизи 1,4 эВ.
III.
<1 л Ь Л <1 , % О <1 9 <1 ЛЪ <1 ь о , о Ь лО О <1
V' tí1' '. "г .'' Л' , , /V Л' .V Л- А' А' Л' Л' Л' Л' Л'
V V V V Я> V 1Г V V ^ ^ 0 V %%
Частота, кГц
Рис. 2. Частотный спектр акустических мод для круглой пластины арсенида галлия при возбуждении оптическими импульсами
о 1,5 га
49,7 145,0 174,7 216,1 240,5 263,5 341,5 428,0 625,6 721,0 1 022,2
Частота, кГц
пластины (рис. 3) в гармоническом спектре присутствуют только нечетные гармоники основной моды акустических колебаний. С учетом этого, а также с учетом центрального способа закрепления пластины можно предположить, что в прямоугольной пластине при импульсном оптическом облучении возбуждаются преимущественно продольные упругие колебания вдоль длинной оси образца. В этом случае количество гармоник будет заметно меньше, чем в случае круглой пластины, для которой характерен более богатый набор механических типов упругих колебаний.
С использованием данных о механической добротности пьезоэлемента прямоугольной формы на гармониках была построена зависимость добротности резонатора от частоты гармонической моды колебаний, которая показана на рис. 4.
400 600 800 Частота, кГц
Рис. 4. Добротность фотопьезоэлектрического резонатора при продольных модах колебаний
Из рисунка видно, что акустическая добротность резонатора быстро уменьшается на частотах ниже 350 кГц. Это можно объяснить увеличением демпфирования упругих колебаний полупроводниковой пластины за счет вязкости воздуха, которое существенно возрастает при уменьшении частоты звука в этом диапазоне [5]. Поэтому фотопьезоэлектрические резонаторы при рабочих частотах ниже 400 кГц желательно размещать в либо в вакуумированных корпусах, либо в корпусах, наполненных легким газом.
4. Заключение
100000
80000
2,5
г 60000
40000
° 1,5
Ю 20000
0
5 0,5
0
200
1000
1200
2,5
t 2
0,5
0
Рис. 3. Частотный спектр акустических мод для прямоугольной пластины арсенида галлия при возбуждении оптическими импульсами
Из представленных рисунков видно, что для круглой пластины характерен более богатый спектр акустических гармоник, чем для длинной прямоугольной пластины пьезоэле-мента. Кроме того, в случае прямоугольной
В результате проведенных исследований фоточувствительных свойств полупроводникового пьезоэлектрического резонатора на акустических гармониках установлено, что для круглой пластины пьезоэлемента характерен более богатый спектр акустических гармоник, чем для прямоугольной пластины. В последнем случае в гармоническом спектре присутствуют
только нечетные гармоники основной моды акустических колебаний. Это означает, что в прямоугольной пластине при импульсном оптическом облучении возбуждаются преимущественно продольные упругие колебания вдоль длинной оси образца. В случае круглой пластины наблюдается большее разнообразие типов упругих резонансных колебаний (продольные, изгибные, сдвиговые и их комбинации) [1].
Полученные результаты могут быть использованы при разработке микроминиатюрных монолитных фотопьезоэлектрических резонаторов по технологии МЭМС (микроэлектромеханических систем). В них используются пьезоэлементы в форме камертонов, полосок и стержней, совершающих изгибные колебания, а также пьезоэлементы прямоугольной и круглой форм с колебаниями контурного и толщинного сдвига на частотах до 800 МГц [6]. Высшие акустические гармоники в такого типа резонаторах используются для расширения верхней границы частотного диапазона.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект № 13-02-97520рцентра)
Литература
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на поверхностных и объемных акустических волнах [Текст] / И. Зеленка - М.: Мир, 1990. - 584 с.
2. Митрохин, В.И. Фотопьезоэлектрическое индуцирование резонансных акустических волн в монокристаллах полуизолирующего арсенида галлия [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Р.Н. Антонов // ФТП. - 2011. - Т. 45, Вып. 12 - С. 1611-1616.
3. Митрохин, В.И. Полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор как высокоизбирательный приемник оптических сигналов [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рем-беза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7, № 10. - С. 9-12.
4. Пат. 2439755 Российская Федерация, МПК Н01Р 1/205. Фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах [Текст] / В.И. Митрохин, О.В. Николаев, С.И. Рембеза. - №2010119289/07; приоритет 13.05.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1. - 6 с.: ил.
5. Митрофанов, В.П. Колебательные системы с малой диссипацией (от макро - до нано осцилляторов) [Текст]: учеб. пособие / В.П. Митрофанов. - М.: Физический факультет МГУ им. Ломоносова, 2010. - 74 с.
6. Грузиненко, В. Микроминиатюрные пьезоэлектрические резонаторы на объемных акустических волнах [Текст] / В. Грузиненко, А. Мацак, А. Медведев // Компоненты и технологии. - 2003. - № 6. - С. 48-49.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный педагогический университет
THE SEMICONDUCTOR PIEZOELECTRIC RESONATOR AS THE SELECTIVE RECEIVER
OF OPTICAL SIGNALS
S.I. Rembeza, V.I. Mitrokhin, V.V. Sviridov, R.E. Prosvetov
Results of researches essentially new devices - optical sensitive semi-conductor resonator which combines properties of the receiver of optical signals of infra-red and visible ranges of lengths of waves and selective the piezoelectric filter are resulted. The accepted optical sig-cash separates from hindrances even in the course of transformation of light impulses to an electric signal. It allows to provide an effective entrance filtration of a signal, improvement the relation a signal-noise and raised stable optical communication
Key words: optical radiation, the resonator, semiconductor, optoelectronics
