Взаимодействие оптического излучения с полупроводниковой средой в проектировании опторадиоэлектронных приборов сверхвысоких частот Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.029.6:621.375.826 А.Н. Поспелов СГГ А, Новосибирск

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СРЕДОЙ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ОПТОРАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

При исследовании модуляции сверхвысокочастотной (СВЧ) волны в полупроводниковом (1111) рабочем теле модулятора, можно видеть, что за счёт изменения проводимости под действием света с ростом плотности потока светового излучения Ф увеличивается мнимая часть показателя преломления к . Вещественная часть п - практически постоянна. Данное обстоятельство приводит к модуляции СВЧ волны по амплитуде. При дальнейшем увеличении фотопроводимости начинает изменяться и п . Помещая 1111 в таком состоянии внутрь волновода, можно модулировать коэффициенты пропускания и отражения СВЧ волны по амплитуде и фазе. Например, фазовую модуляцию, проходящей по прямоугольному волноводу волны Н10 можно получить, создавая светом слой с достаточной

проводимостью в 11 пластине, расположенной параллельно его узкой стенке. Для получения значительного уровня модуляции при сравнительно небольших значениях Ф целесообразно применять высокоомный ПП с высокой фоточувствительностью [1].

Когда высокоомная фоточувствительная пластина, размещённая на металлической зеркальной поверхности, освещается со стороны падения СВЧ волны, то при относительно большой Ф , вследствие развивающегося достаточного (приближение к полуметаллу, металлу по значению и -объёмная удельная электропроводность материала) значения величины и, узел СВЧ волны с поверхности зеркала перемещается на освещаемую поверхность. Таким образом, модулируя величину Ф можно получать изменение фазы волны от 0 до 180°. При меньших значениях Ф возможно получать амплитудную модуляцию СВЧ глубиной до 100% вследствие явления интерференции, когда волны, отражённые от зеркала и освещаемой поверхности, равны по величине и противоположны по фазе. Для управляющего устройства проходного типа при тех же значениях <х возможна модуляция амплитуды волны СВЧ до 50% [2].

Освещение ПП короткими импульсами обеспечивает значительно меньший нагрев его. Время релаксации фотопроводимости ПП определяет быстродействие прибора. Поэтому при проектировании фотоуправляемых приборов необходимо рассматривать условия нестационарной фотопроводимости. Самое оптимальное условие - скорости рекомбинации и диффузии не зависят от Ф [3].

Возможно эффективное световое управление амплитудой или фазой СВЧ миллиметровой волны (ММВ) в ПП (Се, 81, СаАэ) волноводах, аналогичных диэлектрическим, и в композиционных структурах на электромагнитно -связанных отрезках поликоровых зеркальных волноводов и кремниевых зеркальных волноводов (КЗВ) или кремниевых резонаторов [4, 5]. Эффекты

управления обусловлены увеличением концентрации неравновесных носителей заряда в КЗВ за счёт изменения и , т. е. комплексной

•

диэлектрической проницаемости е при его освещении. Уменьшение амплитуды заметно уже при небольшом значении Ф, а заметный фазовый сдвиг требует мощного лазерного источника облучения, работающего в импульсном режиме.

Применение фотоуправляемых модулирующих устройств вместо фазированных антенных решёток на основе р-1-п-диодов позволяет продвинуться в существенно более коротковолновую область СВЧ - область ММВ и исключает необходимость в сложных коммутирующих устройствах, повышает устойчивость к импульсным СВЧ перегрузкам, поскольку взаимодействие с СВЧ волной происходит в большом объёме рабочего тела ПП. Эффективность таких приборов определяется фотоэлектрическими свойствами используемого ПП. Перспективными ПП к использованию являются: 81, Се, СаАэ, CdS, CdSe.

Изменяя фотоэлектрические свойства ПП и условия его освещения можно варьировать параметры проектируемых приборов. Уменьшая, например, время жизни г неравновесных носителей заряда, повышают быстродействие прибора. Если неравновесные носители заряда сконцентрированы в тонком приповерхностном слое ПП, в толще которого СВЧ поле практически постоянно, т. е. толщина фотопроводящего слоя много меньше половины СВЧ стоячей волны, то Ьа«с1, а 1« с1, « Л/я, а 1« Я/л, где

Ь(Л - диффузионная длина фотоэффекта, с1 - толщина ПП, а - показатель

поглощения света, Л - длина СВЧ волны в вакууме. В этом случае г -коэффициент отражения СВЧ волны определяется только значением концентрации неравновесных носителей заряда на поверхности ПП [2, 6].

Если за время г0 импульса света рекомбинация в объёме и на поверхности незначительна то форма этого импульса несущественна

и при а-ё» 1

где Q - плотность энергии светового импульса, я - коэффициент отражения света, /г - постоянная Планка; V - частота световых электромагнитных колебаний.

При выполнении условий с1 » , а-с! » 1 необходимо учитывать

поверхностную рекомбинацию на неосвещённой стороне ПП. Для нахождения ^ (х, г) ( х - расстояние от освещённой поверхности вглубь радиоматериала; г - время) применяют методы разделения переменных или разложения в ряд Фурье величин, зависящих от времени. В первом случае (х, г) представляет собой сумму экспонент с различными постоянными времени.

Если фотопроводимость заметно изменяется на протяжении от узла до пучности, что имеет место при толщине фотопроводящего слоя, сравнимой с

половиной длины стоячей СВЧ волны, то модуляцию можно просчитать только с помощью численных методов. При независимости <У от х изменение

Г максимально при условии 2 сіп/Л = т+1/2,

где т - натуральное число. Г и модуль коэффициента отражения

мощности

р

можно представить в виде:

к + 7 \ік^лксІІЛ

+ п

— к + ] | іН Стткё / Л

п

Ґ

А

1- ^-l1+t2 і\і + 1~1+к1^\-е,*4ІІ ешп_ |_1^+*27|ь+1^+)12Т»

где т - натуральное число. Г и модуль коэффициента отражения

мощности

р

можно представить в виде:

к + у \thil7ikd/Л~^гп_

~ к + І / Л~^-п

1

I

і"2 , / 2 / І , ~2 , ,2^ 4 МІХ

■1 . +к / рг +1 ^ + к \ ■е

^-1^5 +к2 /1&-

Рассматриваемая структура даёт возможность осуществлять фазовую

модуляцию на 180°, поскольку г изменяется от + 1 при к = 0 до -1 при п = к» 1. Амплитудная модуляция глубиной до 100% достигается при

-1^ +к2 /1& + 13 +к2 ^|2 .еАлкс11Л = 1 . С другой стороны имеет место 2- \+соъ^тиЯщ /Л^_

*

зависимость

е8лЫ/Л + е-8М/Л + 2 . С08#ж/Ио / л-

где п0 - значение п при а = 0 См/м. Если приравнять Гр к нулю, то можно найти полосу СВЧ, в которой возможна эффективная амплитудная

модуляция, при изменении Г ОТ 1 ДО 0 (к < 0,2п ). В этой полосе

(1 - -1^йГо/^»Гх-/^п +1^2

Гр

4цг\ -\Т4}г\ +1

где Ж0 - волновое сопротивление вакуума, г8 - поверхностное сопротивление рабочего тела. Если Гр = 0, то

ГБ =

Ж

п0 -1п 1^0 +0^0

2

2

Зная г8 возможно оценить г

Зависимости

Г

р

- кривая 1 и фазы отражённой волны Ч*Р - кривая 2 от

17

г$, вычисленные по приведённым формулам для 81 при /70 « 3,42, N3 ~ 1,4 • 10

Л

м" , Л ~ 0,01 м — длина СВЧ волны в среде, и т = 1 приведены на рис. 1.

Если СВЧ волна поглощается освещаемой поверхностью в фотопроводящем слое толщиной, много меньшей Л, то модуляция также максимальна при условии 2сЫ Л = т+1/2. При этом

г8 -Щ

г8 +Ж0

Видно, что рассматриваемая структура позволяет получать фазовую

туг одул я 11 и ю до 180°, так как Г измснястся от 1 при -1 при Г8 <<

Ж0, а также амплитудную модуляцию глубиной до 100 % при « Ж0. На рис.

1 кривыми 3 и 4 даны зависимости

Г

в

и 4'^ от г8 , вычисленные при

'Р

р

толщине фотопроводящего слоя 1 МКМ ( (I « Л ). Нужно отметить, что практически полосы СВЧ, в которых возможна эффективная амплитудная модуляция при объёмной и поверхностной фотопроводимости, отличаются незначительно.

Если толщина фотопроводящего слоя сравнима с 1/2 стоячей волны, то

зависимость объёмной

концентрации N

неравновесных носителей заряда от * влияет на

значение Г . Когда за время освещения фотопроводящий слой не успевает расшириться благодаря диффузии

носителей заряда, т.е., когда

¿0 Б а2 «1, где £> - коэффициент диффузии, и выполня-ются условия *0« *■

, а-с1 »1, то в момент выключения света имеет место выражение:

120 1

80 °

40

104

103

102

Рис. 1. Зависимости

р

г8, П

- кривая 1 и

фазы отражённой волны - кривая 2

от г8; зависимости

р

- кривая 3 и Чр -

-ах

кривая 4 от г$ при <і « Л,

фотопроводящего

Толщина

слоя

возрастает по закону а1 + 1)1 . При этом уменьшение концентрации неравновесных носителей заряда вблизи осве-щаемой поверхности может происходить быстрее, чем в объёме. Поэтому максимум смещается

вглубь ПП, что влияет на зависимость Г<' . По-скольку подвижность носителей заряда, D, т, a, R и концентрация равновесных носителей заряда зависят от температуры, то нагрев ПП при больших значениях Ф может привести к дополнительным нелинейностям. Например, при увеличении температуры Ô Si выше комнатной на 100 °С значения подвижности

электронов Рп , значения подвижности дырок jLip и /) уменьшаются примерно в 2 раза. При таком изменении т значение R практически постоянно, а значение т несколько возрастает, а при увеличении т в тех же пределах под действием излучения рубинового лазера изменяется в интервале (2 ^ 3) -105 м-1, а под действием излучения неодимового лазера - в

3 1

интервале (1,5 6) -10 м‘ . Изменения а могут заметно влиять на работу

опторадиоэлектронных приборов (ОРЭП) если а 1 сравнимо с А/4 СВЧ волны. Для чистого Si при комнатной температуре и отсутствии света а < 0,01 См/м и с нагревом быстро увеличивается до 0,14 См/м, в рассматриваемом интервале температур.

В Si при a-d> 1 поглощается около 70 % энергии света, поэтому влиянием нагрева можно пренебречь, т. е. изменения температуры Si в известных пределах практически не влияют на амплитудную фотомодуляцию, и таковую паразитную не создают. Фазовая модуляция на Si без заметного нагрева может быть получена лишь при использовании относительно коротких световых импульсов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Поспелов А.Н. Оптоэлектронные СВЧ-приборы с лазерным управлением // Материалы международной научно-практической конф. «Электронные средства и системы управления». Часть 1: - Томск. - 2004. - С. 24 - 27.

2. Кошелев О.Г. Физические явления в фотоуправляемых модуляторах СВЧ на основе кремния при стационарных условиях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1990. № 10. С.47 - 53.

3. Буторин О.В., Швецов В.П. Кинетика спада затухания в фотоуправляемых СВЧ модуляторах на основе высокоомного кремния // Радиотехника. 1993. № 5 - 6. С. 74 - 77.

4. Гигоян С.С., Мурмужев Б.А. Оптически управляемые устройства миллиметрового диапазона // Радиотехника. 1990. № 4. С. 72 - 74.

5. Pospelow A.N, Mizenko I.D. Very high frequency modulators of millimetric-wave band with control of a laser radiation // Proceedings of the 4th IEEE-Russia conference 2003. Microwave electronics: measurements, identification, applications. Memia 2003, p. 57 - 59. Novosibirsk, Russia.

6. 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.

© А.Н. Поспелов, 2005