CC BY
115
УДК 539.67:621.315.592
Материаловедение
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР КАК ВЫСОКОИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В.И. Митрохин, С.И. Рембеза
Приведены результаты исследований принципиально нового оптоакустического устройства - фоточувствительно-го полупроводникового резонатора, который сочетает в себе свойства приемника оптических сигналов инфракрасного и видимого диапазонов длин волн и высокоизбирательного пьезоэлектрического фильтра. Принимаемый оптический сигнал отделяется от помех еще в процессе преобразования световых импульсов в электрический сигнал. Это позволяет обеспечить эффективную входную фильтрацию сигнала, улучшение отношения сигнал-шум и повышенную устойчивость оптической связи
Ключевые слова: оптическое излучение, резонатор, полупроводник, оптоэлектроника
1. Введение
Одной из основных проблем в системах оптической связи является обеспечение избирательности по частоте модуляции оптического сигнала и устранение вмешательства смежного канала, а также достижение высокого соотношения сигнал-шум. В настоящее время эти задачи решают путём использования электрических фильтров после преобразования оптического сигнала в электрический. Однако, воздействие шумов и помех на фотоприёмник может приводить к его перегрузке и различным искажениям, от которых впоследствии избавиться очень трудно. Использование фотоприёмников, обладающих селективностью по частоте модуляции оптического сигнала, позволяет уже на этапе преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал значительно улучшить отношение сигнал-шум благодаря фильтрации помех в самом фотоприёмнике. Частотно-избирательное преобразование оптического сигнала можно осуществить за счёт использования эффекта фотопьезоэлектрического возбуждения резонансных механических колебаний в пластинах пьезополупроводников [1]. В настоящей работе приведены результаты исследований фото-пьезоэлектрического резонатора продольных колебаний, предназначенного для селективного приема оптических сигналов ближнего инфракрасного и видимого диапазонов оптического излучения.
2. Выбор оптимальных кристаллографических срезов и направлений для резонатора на объёмных акустических волнах
Митрохин Виктор Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: mitro4@vandex.ru Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: rembeza@yandex.ru
Одним из наиболее перспективных материалов для фотоприёмников резонаторного типа в инфракрасном и видимом диапазонах является арсенид галлия, обладающий удачным сочетанием высоких фотоэлектрических характеристик и пьезоэлектрических свойств. Принцип действия фоточувстви-тельного полупроводникового пьезоэлектрического резонатора основан на преобразовании энергии оптических импульсов в импульсы эдс-Дембера, которые за счет обратного пьезоэлектрического эффекта порождают механические колебаний облучаемой пластины. На электродах колеблющейся пластины за счет прямого пьезоэффекта индуцируются электрический сигнал той же частоты. Если частота следования оптических импульсов будет совпадать с частотой механического резонанса полупроводниковой пластины, то амплитуда сигнала на выходных электродах резонатора будет в Q раз больше, чем на отстоящих частотах ^ ~ 104 - величина механической добротности пластины) [1].
Пьезоэлектрические свойства ОаАз достаточно хорошо изучены, однако в литературе недостаточно данных по выбору оптимальных кристаллографических срезов и направлений пьезоэлемента на основе ОаАз для конкретных типов колебаний пьезоэлектрических резонаторов. Ниже приводится анализ различных вариантов кристаллографических срезов и направлений пьезоэлемента для описанного выше фоточувствительного пьезоэлектрического резонатора на основе пластин ОаАз.
Для всех кристаллов гексатетраэдрического класса (международный символ 43т) пьезомодуль имеет вид [2]
' O O O d14 O O "
d = O O O O d14 O
,O O O O O d14 у
Кристаллы с таким пьезомодулем обладают продольным сдвиговым пьезоэлектрическим эффектом. Под действием сдвигового напряжения возникает пьезоэлектрическая поляризация, перпендикулярная плоскости сдвига [2].
Для обратного пьезоэлектрического эффекта с учётом (1) компоненты тензора деформации определяются следующим соотношением
С^' С 0 0 0 4
0 0 0
0 0 0
^4 0 0
0 Л\4 0
і ^ , ч 0 0 й?14
(2)
С Е1
Ег
Ез
Из (2) следует, что компоненты деформации 5Ь 52 и £з равны нулю при любой ориентации вектора напряжённости электрического поля Е. Это означает полное отсутствие деформации удлинения или сжатия вдоль главных осей кристалла. Таким образом, деформацию определяют только сдвиговые составляющие 54, 55 и 56. Исходя из принципа действия фоточувствительного пьезоэлектрического резонатора, при котором электрическое поле Дембе-ра Е направлено перпендикулярно плоскости полупроводниковой пластины, проанализируем влияние этого поля на деформацию в зависимости от плоскости среза пластин. Примем: индексы Миллера направлений вектора Е и плоскостей среза пластин будут совпадать. Воспользуемся соотношением (2) для анализа зависимости сдвиговых деформаций от ориентации вектора Е. Для пластин с плоскостью среза (100), (110) и (111) результаты анализа ориентации обратного пьезоэлектрического эффекта в ОаАз представлены в табл. 1.
Таблица 1
Ориентационная зависимость пьезоэлектрического
Пло- скость среза пла- стины Параметры, зависящие от ориентации плоскости пластины
Направ- ление вектора Е (вдоль толщины пластины) Компоненты сдвиговых деформаций №, 55, ЗД Направ- ления осей компо- нент деформа- ции Результирующая деформация пластины
(100) [100] №, 0, 0) ^4 - [011] вдоль <110> || (100)
(110) [110] (^4, 55, 0) ^ -Ь-11 сдвиг по толщине
(111) [111] , ю со ^4 - [011] - [101] ^6 - [110] по толщине и в любом направлении плоскости среза
Учитывая, что электрическое поле направлено по толщине пластины, из табл. 1 можно сделать следующие выводы:
- для плоскости среза пластины (100) характерен поперечный пьезоэлектрический эффект в направлении <110> (рис. 1а);
- для плоскости среза пластины (110) компоненты 54 и 55 будут приводить к относительному смещению двух граней куба перпендикулярных оси Х3. Пластина с такой кристаллографической ориентацией при обратном пьезоэлектрическом эффекте будет подвержена сдвигу по толщине. Существенных деформаций в плоскости среза не будет;
- для плоскости среза пластины (111) наблюдается и продольный, и поперечный пьезоэлектрический эффект. Пластина будет испытывать деформацию растяжения или сжатия как по толщине, так и в любом направлении плоскости среза (рис. 1 б).
® £ ТТ [ЮО]
<110>
55
\/
А(Ш1 / \'
® £ТТ[111]
I
і
’ <110 >
® <111 >
б
Рис. 1. Пьезоэлектрический эффект в ОаАв для двух плоскостей среза: а - (100), б - (111)
Для поперечного пьезоэлектрического эффекта и пластины с плоскостью среза (100) в соответствии с (2) можно записать
' ' ' ' (3)
где ,Ъ<
|^<110>||(100)| _ Е±(100)| ,
- относительная деформация
-’<110>||(100)
пластины в направлении <110>, лежащем в плоскости среза (100).
Аналогично для поперечного пьезоэлектрического эффекта и пластины с плоскостью среза (111)
Е I , (4)
л/з>Е±(111)|
- относительная деформация пла-
К
.11)
стины в любом выбранном направлении, принадлежащем плоскости среза (111).
Из сравнения (3) и (4) следует, что максимальный поперечный пьезоэлектрический эффект можно получить в случае оптического облучения пластин с плоскостью среза (100). Таким образом, для конструкции резонатора в качестве пьезоэлемента необходимо использовать прямоугольную пластину с плоскостью широкой грани (100) и с направлением длины <110>.
3. Экспериментальный образец резонатора
В качестве материала пьезоэлемента резонатора использовался монокристаллический полуизоли-рующий ОаАз, выращенный методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава (метод ЬБС) и не содержащий специально введенных глубоких примесей (изготовитель - ООО «ГИРМЕТ», Москва). При комнатной температуре кристаллы харак-
х
теризовались удельным сопротивлением порядка 107 Омхм, 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. Пьезоэлемент резонатора был вырезан из подложки ваАБ диаметром 50,8 мм с плоскостью среза {100}. Он имел форму параллелепипеда с длиной 50 мм, шириной 8 мм и толщиной 0,4 мм (рис. 2). Направление длины пластины пьезоэлемента совпадало осью кристалла <110>.
Рис 2. Экспериментальный макет фоточувствительного полупроводникового резонатора; 1 - диэлектрическое основание; 2 - пружинный игольчатый контакт; 3 - металлические опоры, одновременно являющиеся выводами резонатора; 4 - пластина арсенида галлия длиной 50 мм, шириной 8 мм и толщиной O,4 мм; 5 - проводящее серебряное покрытие
4. Методика исследования фотопьезоэлек-трических свойств резонатора
Свойства фотопьезоэлектрического резонатора исследовались при воздействии на него онтически-ми импульсами от инфракрасного светодиод L53-SF6 с длинной волны 86O нм, соответствующей области собственного поглощения арсенида галлия. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3. Светодиод LED подключался неносред-ственно 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.
FC I К 0^ (□) FPR JU R
Рис. 3. Схема измерения фотопьезоэлектрических свойств резонатора; GEN - генератор ГЗ-102; LED - светодиод L53-SF6, FC - частотомер Ч3-34А; R - переменный резистор, служащий нагрузкой фотопьезоэлектриче-ского резонатора; С - разделительный конденсатор; QM измеритель добротности; V - цифровой вольтметр В1-21А/1
При облучении экспериментального образца фотопьезоэлектрического резонатора оптическими импульсами на его электродах наблюдалось существенное увеличение амплитуды напряжения при частотах следования импульсов близких к резонансным частотам продольных мод колебаний пьезоэлемента. (табл. 2).
Таблица 2 Резонансные частоты пьезоэлемента
Параметр Порядок колебания к
1 3 5 1 9
/к, кГц 53,1 159,3 265,5 311,1 411,9
Результаты измерений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) напряжения на выходных электродах резонатора в окрестности частот первого и третьего порядка продольных колебаний в направлении длинной оси пьезоэлемента представлены на рис. 4 и 5.
і, кГц
Рис. 4. АЧХ напряжения резонатора вблизи основной частоты колебаний
і, кГц
Рис. 5. АЧХ напряжения резонатора вблизи частоты 3-го порядка колебаний
При уменьшении сопротивления нагрузки Я, подключенной к электродам резонатора, пики напряжения на рис. 4 и 5 уширялись. При этом уменьшалась резонансная амплитуда. Нагрузочные характеристики резонатора для частот первого и третьего порядков колебаний представлены на рис. 6.
і
5. Фотопьезоэлектрические свойства
Сопротивление нагрузки Р кОм
Рис. 6. Нагрузочные характеристики экспериментального образца резонатора для частот первого (ряд 1) и третьего порядка колебаний (ряд 2)
Как видно из рис. 6, для каждого из порядков колебаний существует свое значение минимального нагрузочного сопротивления. Так как свойства пьезоэлектрического резонатора описываются эквивалентной электрической схемой, содержащей последовательный колебательный контур [3], то исследуемый фотопьезоэлектрический резонатор можно рассматривать как источник напряжения с некоторым внутренним сопротивлением, величина которого определяется как внутренними, так и внешними потерями. Значение этого сопротивления можно представить как
ди
r =—-е„ AJ
(5)
Из нагрузочных характеристик, показанных на рис. 5, получим оценочные значения внутреннего сопротивления для первого (53,1 кГц) и второго порядков колебаний (159,2 кГц) - соответственно, 5 и 1,5 кОм. Это величины нагрузочных сопротивлений Я, при которых начинается снижение амплитуды выходного напряжения резонатора. Большее значение Явн для основной моды колебаний может быть обусловлено большими потерями за счет вязкости воздуха, которая возрастает с понижением частоты в этом диапазоне частот механических колебаний. Косвенным подтверждением этого является более низкая добротность резонатора на первой моде ко-
лебаний (Q ~ 1400) по сравнению с добротность на второй моде (Q ~ 4000). Добротность определялась как по форме резонансных кривых, так и по скорости затухания свободных колебаний [4].
Таким образом, для фотопьезоэлектрического резонатора существует некоторая оптимальная нагрузка, при которой он обладает высокой селективностью и достаточной амплитудой выходного напряжения на резонансной частоте.
6. Выводы
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что использование полупроводникового фотопьезоэлектрического резонатора в качестве избирательного приемника оптических сигналов может обеспечить эффективную входную фильтрацию сигналов и защиту от мешающих воздействий как естественных, так и искусственных помех. Описанный фотоприемник за счет резонансного усиления принимаемого сигнала на фоне неизменного уровня помех позволяет значительно повысить отношение сигнал-шум, а, следовательно, чувствительность приема оптических сигналов.
Литература
1. Митрохин В.И., Рембеза С.И., Антонов Р.Н. Фотопьезоэлектрическое индуцирование резонансных акустических волн в монокристаллах полуизолирующего арсенида галлия // ФТП. 2011. Т. 45. Вып. 12 - С. 1611-1616.
2. ПеЬу J. Fundamentals of Piezoelectric Sen-sorics: Mechanical, Dielectric, and Thermodynamical Properties of Piezoelectric Materials / J. Tichy, J. Erhart, Е. Kittinger. - Springer, 2010 - 207 p.
3. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на поверхностных и объемных акустических волнах. М.: Мир, 1990. -584 с.
4. Постников В. С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1974. 352 с.
Воронежский государственный технический университет
THE SEMICONDUCTOR PIEZOELECTRIC RESONATOR AS THE SELECTIVE RECEIVER OF OPTICAL SIGNALS V.I. Mitrokhin, S.I. Rembeza
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
