Полупроводниковые избирательные фотоприемные элементы и устройства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

->1'Л

еу + 1(/ е -е '5

л, = —1----------- ---—

еУг+У ет.1-_е"^1'

у. + ру ,-°Уе ' ’>:■: и'%

Если по переменному току фотопроводимость соединена с известной комплексной проводимостью Оц + 1ВК , то из двух уравнений ве - Он = 0 : Вс + Вн = О можно найти два неизвестных А и ф0, где Аехр(нг>(1)г=ФУЕЬН. которые в итоге и определят Уе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз. 1963.494 с.

2. Быоб Р. Фотопроводимость твердых тел. М.: ИЛ.. ] 962. 558 с.

3. Малышев В. А. К теории частотных характеристик фотосопротивлений и люминофоров// Изв. вузов. Радиотехника. 1959. №5. С. 616 - 618.

4. Малышев В,Л., Сапепкии С.В,, Червяков Г.Г., Юхимец Е.Л. Нелинейные преобразования сигнала модуляции света при квадратичной рекомбинации в фото-приемнике//Физика и техника полупроводников. 1993. Т.27. Вып.1. С. 179 -182.

УДК 621.385.52(03)

Г,Г. Червяков

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

347928, г. Таганрог, ГСП-17 А, пер. Некрасовский, 44, тел.: (86344) 64447, e-mail; fep@jlsure.ru

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. Покажем один из возможных путей развития таких устройств.

Рассмотрим воздействие модулированного света и переменного электрического поля на объем полупроводникового материала при ограничении генерационно-рекомбинационными процессами, а для материалов с переменной эффективной массой и зависимостью подвижности от поля.

Модель процесса строим в предположении: - малого сигнала (т.е. Др«р. Дп«п); - линейного либо квадратичного законов рекомбинации; - пропорциональной зависимости скорости генерации носителей от интенсивности облучения в спектре поглощения; - отсутствия поверхностной рекомбинации. При этом уравнение кинетики рекомбинации (для квадратичного закона) принимает вид

dt

где Ф - скорость световой генерации носителей; зависимость скорости рекомбинации носителей от скорости принимаем в виде а = 0$ = сг0 / [1]; <т0~

поперечное сечение рекомбинации носителей, причем ш и 0 0 определяются из

экспериментальных характеристик.

Принимаем, что облучение ведется равномерно по всей поверхности монохроматическим светом, к выводам объема полупроводника (например, фотосопро» тивления) приложено внешнее ноле с напряженностью К. Тогда выражение для скорости носителей заряда

где $ ^ - средняя скорость, определяемая тепловым движением носителей заряда,

{1 - подвижность носителей.

Если свет промодулирован по гармоническому закону частотой <д> , а в цепи фотосопротивления, питаемого от источника с ЭДС, равной е, стоит нагрузочное сопротивление К, то ф^ ф.} +ф}5тшЬ Е =? Е0 + Е_ >

п ~ п0 + и можем получить при

п0 » п , Е я £ Е =______SReft.Roп.______^ 5Ке^К0п. <

0 й + ЗЯец’ " с!+ SRef^Re0 + п.) d^-SRe(д.R0

где 8, ё - эффективная площадь поперечного сечения н длина фотосопротивления, е - заряд электрона, Полагая, что соиро]явление иеючннки ЭДС по переменному току равно нулю в приближении малого сигнала* после подстановки и разделения постоянных и переменных составляющих имеем:

П02 +цЕ0Г-'.

<?0

^ л ^2

-----= Ф. вт ш! - Лп - Вп ,

и! 1 '

где Д _ 2а0п0 в _ 2п0ст05 Яе р.гЕ0(ш -1)

(», + 1хЕ0У!‘-‘ ’ ~ (с! + Б Ле цп0Х»“ + МЕ0)" '

Полученное нелинейное дифференциальное уравнение не имеет в общем виде аналитического решения и для приближенного анализа воспользуемся итерационным методом, который справедлив в предположении о0 »п_.. Для этого,

считая в нулевом приближении п^В = 0 , получаем

П_ = п„0 =п1зт((йИ-ф), п .................Ли.., <р = аг<^ 0)/А .

Заменяя Вп_2 « Вп^0п^ и интегрируя, в первом приближении получим п„ = ехр[~А1 + (13п, /со)со5(о>1 + <р)]|ехр(А1 + (Вп, /ш)со5(ш( + я + ф)]Ф,

где в стационарном режиме колебаний постоянная ишегрирования равна нулю. Используя представление

ОЭ

ехр( N соз и)) = 10(И) + 2]Г 1к (N)cos( кш)»

к-1

где 1к(К) - модифицированные функции Бесселя первого рода к - порядка, можно

последнее выражение привести к виду, позволяющему определить компоненты тока Se^xn ДЕ0 4* С ^, текущего через фотосопротивление. Полученный результат можно уточнить, проводя итерационный процесс

В частности, постоянная составляющая этого тока I ш = Sen 0|i В () полуют при этом изменение

, , Se^E0d>,coI0(Bn ,/<в)1,(Вп ,/ш) ,

*0 *~ l0| Г ----г*

Л л/о + А

характеризующее эффект дсіекшрования сигнала модуляции света, причем величина (I0l“-f0) пропорциональна ФД тк, Ї t (Вп, / со) — II, ~ Ф, Аналогичным образом можно получить первую и вторую гармоники тока частоты модуляции О)

; ^Scpin Е0 , = ------1?(Вп,/а,)х

(т +Л )(d + SRefinГ))

2т ro~ + А А / l{Bn ,/а>) A co^Qxof+A1 «> Л2( Bnjm)

sin ті -

2f 1ЦВпх!т) I ]{Bn Jm)

cos cot

VI гл /,(#'>, Iт)!п(Вп{ /*>} } 1(2т) + А , *

I 7 - Ь(!еиЕЛк — — ------г 2(т! + ф) ~~ Л ———,— ^т( 2т* + <р)

'(Н + ЬКг;т)>/*7 + А>\ V *2 + /Г

Го еегь амплит> да и фаза токов нелинейно зависят от амплитуды Ф | и переменной концентрации п, Дна логичным образом можно получать соотношения, опрсдепяюшнс вес болсс высокие гармоники частоты модуляции света, выделяемые на нафузке Е Соотношения для токов позволяют определить оптимальные значения иагруючнот сопроитления Я. обеспечивающие максимум падения

напряжения основной частоты \} ^ { и гармоники 11^2 иа этом сопротивпении,

Дшя этого в малосигналыюм приближении будем полагать 9Г «|дЕ0, ГП = 1. При этом

r .. R2 _ ._ч Se|in

0

и“'ет=г'(К)- и"«=№)' а'= -

Из условия с1Г, / с!Н = 0 получаем Я = Иопт = I/а , а из cif2 /<Ж =0 величину К =г Яопт = 2/а Таким образом, оптимальная для всех переменных составляющих нагрузка зависит от постоянной составляющей светового потока Ф 0,

причем ЯИ1Т падает по мере его роста.

Полученные соотношения позволяют сделать вывод о возможности использования полупроводниковых фотосопротивлений с квадратичной рекомбинацией носителей для выделения модулирующей нодмееущей полезного сигнала

Аналогичный подход позволяет получить выражения для полного спектра тока диода Ганна, при этом д. + (х,Е = в, + |л0Е0 + цЕ, , где - скорость

теплового движения носителей, ц - подвижность по отношению к пос гоя иному

полю Е0, а (11 - комплексная подвижность по отношению к переменной состав-

ляюицей Е . При этом а. « —сс иЕ , и после подстановки и разделения переменных и постоянных составляющих получим

dn. /dt = Ф, cos(a>,t + <p) + a_|uE_n02 -2п0пДсс0 ~a..f.iE_)~n._2(a0 -а_цЕ^).

Для решения этого уравнения используем итерационный метод, который в нулевом приближении, с учетом того, что при комплексном представлении цЕ_ ~ Ej|j.a cosco,t - цгЕ, sin G)2t

имеет вид dn _ / dt + P(t)n _ = Q(t) .

Решение последнего уравнения, после интегрирования и перехода к плотности тока j = en |U, Е дает полный спектр тока, причем каждая из компонент тока

нелинейно зависит от величины электрического поля и светового потока.

Аналогичные выводы можно сделать и для случая линейного закона рекомбинации.

Контактные процессы в полупроводниках разнообразнее и сложнее рассмотренных выше, однако решение задачи определения полного спектра тока возможно в общем виде при наличии лавинного размножения носителей, с учетом граничных условий, зависимости поперечного сечения рекомбинации носителей от скорости, путем решения уравнений непрерывности для электронной и дырочной составляющих.

Проведенный анализ позволяет заключить, что процессы взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля могут использоваться для выделения соответствующих составляющих спектра тока, следовательно, селектировать модулирующие поднесушие (МП) света.

Принцип фото преобразования МП ясен из обобщенной физической модели (рисЛ), в которой учтены поглощение оптического излучения и генерация носителей заряда, механизм внутреннего усиления, обусловленный размножением носителей, взаимодействие модулированных по интенсивности концентраций носителей с переменным электрическим полем а объеме полупроводника либо в пространстве р~ «-перехода (обедненного слоя) или контакта металл-полупроводник, а также этап формирования выходного сигнала (реакция нагруз-ки).

Таким образом, выделение МП светового сигнала может быть выполнено всеми известными сегодня радиотехническими методами (т.е. гетеродинировани-ем, супергетеродинированием, сверхрегенерацией [2], аатодинным детектированием синхронным (для аналоговых сигналов) и асинхронным (для импульсных) [3] и др.), причем они могут использоваться как в многоканальных волоконно-оптических системах так и в лазерных атмосферных и космических линиях связи,

Структурные схемы построения фотоприемников имеют следующий вид: рис. 2-5 (соответственно: гетеродинный, асинхронный, супергетеродинный и сверхрегенеративный), где обозначены ФПМП - фотопреобразователь модулирующей поднесущей; УНЧ- усилитель низкой частоты; ВУ- видеоусилитель; G-гетеродин; УПЧ- усилитель промежуточной частоты; СФУ -сверхрегенеративный фотоусилитель; Д, -детектор МП; УВК -усилитель вспомогательных колебаний; Д; -детектор вспомогательных колебаний; УПТ -усилитель постоянного тока; ГВК -генератор вспомогательных колебаний. Обведенные пунктиром элементы могут быть объединены в случае использования в ФПМП активного прибора и реализации автодинного режима. [4]

Из описания методов выделения МП и приведенных структурных схем сле-

дует, что они применимы как в системах ВОЛС, так и в открытых линиях передачи информации, причем в обоих случаях можно реализовать многоканальные режимы работы, что важно для построения современных локальных оптических сетей.

Входной оптический сигнал Ф0 + Ф. = V + N Ь V,

I

Фотоэлектрическое поглощение -

генерация электронно •

11ространство взаимодействия (объем полупроводника.^ р-п-переход)с Е (модуляция о р_.

по-й по скорости)

т

Г ('Ь+пЗд"

дырочных пар

ттхтт

ру

По,П, п.р

Рп> 11 Р-; по

Внутреннее усиление)

1ф=‘ф=<с>

V

I Выхолиой'Фототок ) Ч-

к

Формирование выходного сигнала V____________ФПМП______________у

ВЬ!Х * ’ ВЫХ

Выходной электрический сигнал ФПМП

Фоновая засветка (помеха)

Дробовой шум — гемново! о тока и шумы сигнала

Квантовый шум внутреннего фотоэффекта

Шумы гетеродина,

___ лавины и

преобразования _ Избыточный шум внутреннего усиленш

_ Тепловой и дробово шумы усилителя

Реакция нагрузки _ (активной, резонансной или апериодической)и шумы нагрузки

Рис. I

Рис. 2 Рис.З

Рис. 4 Рис. 5

Экспериментальная проверка выполнялась на диодах Ганна, ЛПД, ЛФД и ФД2, причем диод Ганна и ЛПД работали в режиме генерации на частоте о) і "=9,3 ГГц, при этом свет модулировался частотой ю2= 120 МГц. Для диода Ганна зависимость мощности сигнала гетеродина и первых четырех комбинационных составляющих приведена на рис.6. Следует отметить, что в режиме асинхронного приема на ЛФД была получена эффективность, значительно превышающая прямое детектирование.

Рис.6

ЛИТЕРАТУРА

1. Маиышев В. А. Теория разогревных нелинейностей плазмы твердого тела. Ростов н/Д: Изд-во. РГУ, 1979. С.264.

2. Сифоров В.И. Радиоприемники сверхвысоких частот. М.: Изд. Мин. обороны СССР, 1957. С.635.

3. Абрамян А. А. Асинхронное детектирование и прием импульсных сигналов. М.: Сов. Радио, 1966. С.296 .

4. Червяков Г.Г. Избирательные фотоприемные устройства// Материалы ПУ-научной сессии, НТОРЭС им. А.С.Попова. М.: 1999. С.51-52.

5. Оптические системы передачи/ Б.В. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крухмалев и др.; Под ред. В.И. Иванова. М.: Радио и связь. 1994. 224 с.

УДК 621.382

В.В. Роздобудько, В.И. Перевощиков

ШИРОКОПОЛОСНАЯ СВЧ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ НА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

347928, г. Таганрог, ГСП - 17а, пер. Некрасовский, 44, ТРТУ, каф. РТЭ, тел.: 61630, e-mail:fep@tsure.ru

В сообщении обсуждаются основные конструктивные особенности И ВОЗМОЖНЫЙ набор параметров СВЧ линии задержки (ЛЗ) с шириной полосы рабочих частот Af £ не менее октавы. Принцип работы ЛЗ и суть предложенных авторами