CC BY
32
УДК 621.3.029.6:621.375.826 А.Н. Поспелов СГГ А, Новосибирск
О НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТАХ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОПТОРАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Рассмотрим нелинейные эффекты, связанные с инжекцией носителей заряда в полупроводнике (ПП). Взаимодействие между неравновесными носителями приводит к уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда т, подвижности электронов цп и подвижности дырок Ир при N - объёмной концентрации неравновесных носителей заряда большей Ык - некоторого критического значения N , где Nк е (о23 ;1024 м‘3. При фазовой модуляции N ~ Nк, поэтому этот эффект можно не учитывать. При амплитудной модуляции N « Nк , поэтому его влиянием можно тем более пренебречь. Зависимость т может наблюдаться и при N < Nк, что связано с перезарядкой примесных центров. При значениях N , сравнимых с равновесной концентрацией, т.е. сравнительно малых, изменение г связано в основном с перезарядкой рекомбинационных центров, что необходимо учитывать при слабой амплитудной модуляции. Для промежуточных значений N зависимость г IV наблюдается вследствие перезарядки центров прилипания. Влияние их существенно зависит от технологии получения 81. Несмотря на это модель линейной рекомбинации может применяться, т.к. позволяет понять многие закономерности протекания различных процессов в опторадиоэлектронных приборах (ОРЭП).
Эксперименты подтверждают результаты расчётов и теоретические выводы [1]. Кремниевые пластины толщиной (1 ■¥ 3) мм, расположенные ортогонально и перекрывающие сечение 11 х 5,5 мм волновода в макете модулятора отражательного типа, освещались светом с Л = 0,95 мкм со стороны падающей сверхвысокочастотной (СВЧ) волны с длиной (в среде) Л=^-ь17 мм через отверстие в стенке волновода. Интенсивность света изменялась синусоидально. Максимальная степень модуляции обусловливалась положением закорачивающего поршня. Коэффициент
отражения мощности Гр обращался в нуль при плотности потока светового излучения Ф=С00н-40(Г Вт/м2. На рис. 1 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ волны
Г<Т (/ - радиочастота) для аналогичного
по напряжению
модулятора на волноводе сечением 7,2 х 3,6 мм2 с пластиной из кремния с объёмной удельной электропроводностью а = 0,02 См/м и толщиной 1,7 мм. Закорачивающий поршень располагался на расстоянии 32,5 мм от пластины. Кривая 1 -
при Ф = 0 и кривая 2-приГ>=0- экспериментальные. Кривая 3 вычис-лена и соответствует кривой 2. Районы экстремумов этих
г, дБ
-20
-30
-40
-50
N
1 /
3
27,5
28,0
Рис. 1. Зависи
кривых различаются по ширине, но хорошо согласуются по частоте. Видно, что эксперимент в основном согласуется с расчётом несмотря на упрощённое рассмотрение явлений, определяющих функционирование ОРЭП.
Для случая, когда пучность электрического поля СВЧ волны находится на освещаемой поверхности фотопроводящего слоя, а противоположная поверхность ПП касается отражающего зеркала, были вычислены зависимости
<'(г- время) после включения прямоугольного импульса света при 1 = 0-рис. 2 (слева) и после его выключения при 1 - длительности импульса света
- рис. 2 (справа) [2]. После включения света спад
при амплитудной
модуляции представлен кривой 1. При этом имеет место нелинейная
зависимость
. Для случая фазовой модуляции крутизна спада несколько
больше - кривая 2 и с увеличением Ф она возрастает. г8 при этом имеет порядок одного Ома. Зависимость восстановления Г после выключения света
при амплитудной модуляции - кривая 3. При фазовой модуляции эта зависимость менее крутая - кривая 4. Таким образом, быстродействие ОРЭП в основном определяется релаксацией неравновесных носителей заряда после выключения света при <-г0 >г.
Г
= -дБ1
0254
вд
-0,251
-1Д|
г-і
Рис. 2. Зависимости
ОЦ 5Г 101
< после включения света при / = О - слева и после
выключения при ( = /0 - справа; кривая 1 - при амплитудной модуляции, кривая 2 - при фазовой модуляции; кривая 3 - при амплитудной модуляции,
кривая 4 - при фазовой модуляции
В равновесных условиях изменения - ДГр определяются тепловыми флуктуациями поверхностного сопротивления Ars, и если Г » 1, то
А Гр = WquAt^ / г$<2 .
В случае амплитудной модуляции и неравновесных условий при г ~ о
ДГр «
При фазовой модуляции при г » -1
ДГр = 4 • Ar$Wtо .
Неравновесные носители заряда вносят дополнительный вклад в шумы, связанный с флуктуациями скорости рекомбинации и светового потока. В случае освещения ПП мощными короткими лазерными импульсами возможно появление дополнительных нелинейных эффектов, обусловленных высоким значением N и локальным нагревом поглощающего слоя. С увеличением уровня инжекции время релаксации г0 концентрации неравновесных носителей заряда начинает зависеть не только от рекомбинации и прилипания на примесях, но и от других эффектов, зависящих от
24
взаимодействия между неравновесными носителями. Увеличение N до 2 • 10
-5
м‘ приводит к уменьшению tq почти в два раза при г = 25 мкс. Уровень инжекции влияет на подвижность неравновесных носителей заряда, которая
23 3
постоянна при N < 10 м- и значительно уменьшается при увеличении N до 1024 м-3.
Влияние нелинейных эффектов на фотопроводимость максимально при больших значениях показателя поглощения света а и малых /0 , когда
неравновесные носители заряда и выделяющееся тепло не успевают распространиться за пределы поглощающего слоя. Создание концентрации
24 3
N = 10 м‘ в пределах области х < а~г (х - толщина) рубиновым лазером даёт фазовую модуляцию с Г > 0,97, что подтверждают данные таблицы, где
Хё - длина волны светового излучения. Это позволяет пренебречь нелинейными эффектами, обусловленными наличием неравновесных
носителей заряда. Интересно отметить, что получить
> 0,97 при данном /0
24 3
с помощью арсенид-галлиевого лазера можно только при N > 10 м- , что не позволяет воспользоваться указанным пренебрежением. Для снижения значения N в фотопроводящем слое при заданных значениях а и необходимо увеличивать его толщину увеличением длительности импульса света до значения г0 >> С*«2 ^ •
Таким образом, для оценки быстродействия ОРЭП применимы расчёты, основанные на модели линейной рекомбинации, что подтверждают
Л
результаты эксперимента. В волновод сечением 11,0 х 5,5 мм помещались
шлифованные пластины из 81 с толщиной ¿7 = 1,7 мм и <т=(,7н-0,01 См/м, полученного методом бестигельной зонной плавки, которые освещались интенсивностью света, характерной для амплитудной модуляции, арсенид-галлиевыми светодиодами через отверстия в широкой стенке так, что направления распространения света и электрического поля СВЧ волны совпадали. При этом максимальная плотность потока светового излучения
л
составляла значение Фд^х =300 Вт/м . В исследованном диапазоне световой плотности потока излучения ту - эффективное время жизни неравновесных носителей заряда, зависящее от условий освещения и от рекомбинационных параметров ПП, изменялось не более чем в 1,5 раза при условии, что сотту « 1, где о)т - круговая частота модуляции света. Поэтому для увеличения быстродействия целесообразно использование 81, у которого с уменьшением Ф ту снижается.
Таблица. Параметры лазеров и ПП
Тип лазера Лё, нм а, м-1 м- 2 б, Дж/м2 О м •
Арсенид-галлиевый 880 3,3 104 10 ,0 3, 9,7 0,9 -0,99
Рубиновый 690 2,0 105 5,0 • 1018 2,1 5,3 -0,97
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кошелев О.Г. Физические явления в фотоуправляемых модуляторах СВЧ на основе кремния при стационарных условиях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1990. № 10. С. 47-53.
2. Кошелев О.Г., Плескачёва Т.Б. Физические явления в фотоприемных модуляторах СВЧ на основе кремния при нестационарных условиях // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1990. № 10. С. 53-58.
© Поспелов А.Н., 2005
