Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние слоя полупроводника с управлямой проводимостью на распространение плоской электромагнитной волны 19
1.1. Взаимодейотвие миллиметровых и субмиллиметровых волн со свободными носителями зарядов 20
1.2. Модуляция прошедшей и отраженной волны однородным слоем с управляемой проводимостью 32
1.3. Некоторые возможности уменьшения коэффициента отражения 55
1.4. Дифракция на слое с неоднородной проводимостью. 62
1.5. Модуляция при инжекции из р-п перехода 72
1.6. Краткие выводы 91
2. Экспериментальное исследование управляемого поглощения в германии 95
2.1. Поглощение и отражение миллиметровых и субмил лиметровых волн германием 95
2.2. Конструкция полупроводникового элемента IQ4
2.3. Исследование распределения потенциала, концентрации неравновесных носителей заряда и ослабления в активной области модуляторного элемента .
2.4. Влияние механических дефектов на поверхности модуляторного элемента на характеристики модулятора 122
2.5. Характеристики модулятора при низких температурах 127
2.6. Краткие выводы 141
3. Многоконтактбые структуры 143
3.1. Структура с микродроссельной развязкой 145
3.2. Слоистая структура 150
3.3. Структура с решеткой малых контактов в объемена основе эпитаксиального кремния 155
3.4. Мозаизная структура 162
3.5. Краткие выводы 182
4. Электромагнитной волш на неоднородной концентрации носителей заряда в полупроводнике 184
4.1. Полупроводниковые дифракционные структуры с фотогенерированной электронно-дырочной плазмой... 185
4.2. Распределение избыточной концентрации носителей заряда в дифракционных элементах 189
4.3. Экспериментальная установка для исследования дифракции 195
4.4. Дифракция электромагнитной врлны на периодически неоднородной фотогенерированной плазме в германии 201
4.5. Быстродействие 209
4.6. Зонные пластинки 211
4.7. Дифракционные системы с электронно-дырочной плазмой, создаваемой контактной инжекцией... 218
4.8. Краткие выводы 229
Заключение 232
Литера тура
- Модуляция прошедшей и отраженной волны однородным слоем с управляемой проводимостью
- Исследование распределения потенциала, концентрации неравновесных носителей заряда и ослабления в активной области модуляторного элемента
- Структура с решеткой малых контактов в объемена основе эпитаксиального кремния
- Дифракция электромагнитной врлны на периодически неоднородной фотогенерированной плазме в германии
Введение к работе
Радиофизика и квантовая электроника определены в решениях КПСС и Советского правительства в качестве одного из основных направлений развития народного хозяйства СССР. Одной из важных задач радиофизики является задача управления электромагнитным излучением, поскольку многие вопросы радиоизмерений, локации, связи не могут быть успешно решены без применения различных методов управления потоком электромагнитного излучения. При решении этих вопросов ' в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн заслуживают внимания методы управления, использующие оптические свойства полупроводниковой плазмы, характерные для фотонов малой энергии, а именно, механизм поглощения на свободных носителях заряда.
Несмотря на то, что в настоящее время промышленность изготовляет UІП -диоды для модуляции электромагнитного излучения, в миллиметровом особенно в его коротковолновой части, и субмиллиметровом диапазонах, где pit] -диоды неприемлимы, наиболее целесообразны объемные структуры с управляемой электронно-дырочной плазмой, подобно разработанным в настоящей работе, например, пластинка полупроводника, работающая на "просвет" в виде окна или транспаранта с управляемой прозрачностью. При этом увеличивается мощность рассеяния и полоса пропускания.
Поскольку электрофизические свойства плазмы и ее распределение могут меняться в широких пределах под влиянием внешних воздействий, то функциональные возможности такого транспаранта очень велики. Исследованию применения поглощения в плазме для управления излучением посвящено уже большое количество работ.
В настоящее время поглощение электромагнитного излучения
jfla свободных носителях заряда изучено недостаточно. В работах I / I / - / 4 / описаны результаты, полученные за последние 20 лет.
Наибольшее количество экспериментальных работ, описывающих оптические свойства полупроводников проведено в ИК области спектра и СВЧ. В исследуемом диапазоне длин волн 0,0М см.подобных исследований значительно меньше. Из наиболее ранних -это работы / 5 / и / 6 /, в которых описывается измерение влияния свободных носителей заряда на диэлектрическую проницаемость и потери германия на длине волны 1,24 мм. Работа / 7 / посвящена экспериментальной проверке на длине волны 8,6 мм зависимости коэффициента поглощения полупроводника от его удельной электропроводности, предсказываемой классической теорией Друде--Лоренца-Кронига. Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. В работе / 8 / измерено поглощение кремния п-ти-
Т4 —Я
па с концентрацией носителей заряда 4*10 см , облученного быстрыми нейтронами в области 40+100 мкм. Показано, что поглощение свободными носителями при этой концентрации удовлетворительно описывается формулой Друде-Кронига.
В диапазоне 100+300 мкм / 9 / исследовано поглощение кремния с удельным сопротивлением 15 ом.см и высокоомного компенсированного. Показано, что в этом диапазоне поглощение свободными носителями можно количественно описать с помощью уравнений Друде-Кронига, если принять во внимание наличие носителей с различной эффективной массой. В работе / 10 / показывается применимость полуклассических соотношений для описания связи между коэффициентом отражения электромагнитной энергии от полупроводников и их электрофизическими свойствами. Приведены экспериментальные данные для кремния с удельным сопротивлением 0,03*10,5 ом.см в 2-миллиметровом диапазоне длин волн. Ранее
.-7.-
(-подобный эксперимент был проведен на длине волны 4 мм / II /. I
Приведенный выше перечень работ свидетельствует о том, что в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах полный спектр не построен даже для германия и кремния.
В исследуемом диапазоне длин волн наиболее целесообразны объемные структуры в виде слоя полупроводника с управляемыми свойствами электронно-дырочной плазмы. Воздействие такого устройства на излучение будет определяться геометрией образца и величиной и законом распределения концентрации носителей заряда в слое. Если распределение неоднородно, то может наблюдаться отклонение луча / 12 / и дифракция / 13 /, / 14 /. Таким образом, слой полупроводника с управляемыми параметрами может служить базовым элементом для построения систем управления потоком электромагнитной энергии. В связи с этим представляет интерес выяснение закономерности изменения коэффициентов пропускания и отражения слоя и их фаз при изменении проводимости полупроводника в исследуемом диапазоне длин волн.
Одна из первых попыток расчета параметров слоя с однородной проводимостью была предпринята в 1960-61 г. в работах / 15 / и / 16 /, где отмечается сложность расчетов и приводится таблица нормированных толщин пластинок германия и кремния в случае нормального падения волн с частотой 10 ^ Гц в свободном пространстве и полностью перекрывающих волновод, при которых коэффициент передачи через образец максимально зависит от проводимости образца, а фазовый сдвиг не меняется. Приведены значения толщин, при которых амплитуда отраженной волны не зависит от проводимости, а фаза изменяется, и значения толщин, при которых фаза отраженной волны неизменна, а амплитуда зависит от проводимости. Данные справедливы при условии постоянства частоты и проводимости слоя.
- 8 -Г в работе / 17 / (1963 г.) были проведены расчеты с использованием приближения линии с распределенными параметрами, когда образец прямоугольной формы полностью перекрывает волновод, модуля коэффициента пропускания и отражения по полю от проводимости и толщины для германия и кремния на частоте 10^ Гц.
В работах / 18 / и / 19 / (1968-69 г.) вычислена зависимость коэффициента пропускания для германия от нормированной толщины и параметра проводимости для длины волны 4,82 мм. на основе расчетов, которые были приведены в / 17 /. Однако применение проводимости, как параметра в этих работах требует громоздких расчетов для каждой длины волны и создает большие неудобства при рассмотрении свойств слоя в диапазоне частот.
Нами при расчете модуляторов (1962-65 г.) были применены относительные параметры слоя, что позволило получить аналитические и графические зависимости оптических и модуляционных характеристик однородного слоя, которые могут быть применены в любом диапазоне длин волн - СВЧ, ММ, СубММ и Ж - для случая нормального падения волны как в свободном пространстве, так и в металлических волноводах. При этом учитывалась инерционность свободных носителей заряда.
Изменение концентрации и распределения электронно-дырочной плазмы в слое полупроводника наиболее удобно и эффективно достигается путем инжекции носителей из нелинейных электрических контактов. В этом случае слой полупроводника будет представлять собой диод с геометрией базы, выбраной таким образом, чтобы она полностью перекрывала поток высокочастотной энергии.Причем управляющие контакты должны находиться вне потока электромагнитной энергии, либо располагаться так, чтобы практически не влиять на распространение волны / 52 /. Зависимость коэффициентов ослабления и отражения таких структур от плотности уп-
Гравляющего тока будет определяться не только уровнем инжекции, но и распределением электронно-дырочной плазмы, если расстояние между контактами превышает диффузионную длину носителей заряда. Неоднородное распределение электронно-дырочной плазмы в поглощающем объеме может привести к искривлению фронта падающей волны и, как следствие этого, к дефокусировке луча,фокусировке или отклонению луча в пространстве. Поэтому представляет интерес расчет характеристик модуляторного элемента не только в случае диодов с тонкой базой, но и для диодов с длинной базой.
Распределение концентрации неосновных носителей заряда в базе диода всесторонне рассмотрено для различных условий относительно уровня инжекции, геометрии образца, типа невыпрямляю-щего тылового контакта, концентрации примесей, электрического поля в базе диода и т.п. однако без учета изменения времени жизни носителей от концентрации во время инжекции, поскольку системы нелинейных уравнений, описывающая поведение инжектированных носителей в полупроводник может быть решена аналитически приближенно, при различных ограничениях и многочисленных аппроксимациях, в частности, при условии постоянства времени жизни неосновных носителей заряда. В работе / 23 / отражено состояние вопроса и приведена достаточно полная библиография за последние 20 лет.
Однако, в процессе модуляции концентрация носителей может меняться от малых уровней до высоких, когда необходимо учитывать значительное изменение времени жизни от концентрации носителей. В работе / 24 / проведен расчет распределения концентрации неосновных носителей заряда вдоль базы длинного р-п-п+ -диода, с учетом изменения времени жизни носителей в зависимости от концентрации. Следует заметить, что аналитические методы
- 10 -ірасчета полупроводниковых диодов даже простой геометрической ' формы требуют идеализации процессов, протекающих в базе диода, а результаты обычно имеют громоздкий вид, затрудняющий их интерпретацию и вычисляются обычно численным интегрированием,как это имеет место в работе / 24 /. При исследовании многоэлектродных управляющих диодов и дифракционных элементов или элементов со сложной обработкой поверхности, аналитические методы становятся мало пригодными в расчетах таких структур. Здесь наиболее приемлемым может быть графоаналитический метод расчета, предложенный в работе / 25 / для расчета канальных транзисторов, который дает возможность сравнительно простыми средствами производить расчет сложных конструкций полупроводниковых элементов произвольной геометрической формы с учетом различных эффектов, имеющих место в отдельных участках объема и поверхности полупроводника.
Одним из первых сообщений о поглощении на свободных носителях, инжектируемых в германий п-типа (диапазон коротких Ж волн является статья Гибсона, опубликованная в 1953 г. (1,8* * 12 мкм). / 26 /, а в работе / 27 / описан модулятор для длин волн 1*5 мкм в виде диода с р-п переходом, который при токе 2А вызывал изменение прошедшей мощности ^ 50$. Несколько позже этот метод модуляции стал применяться в диапазоне СВЧ.
На радиофизическом факультете Харьковского Ордена Трудового Красного Знамени и Ордена Дружбы Народов Госуниверситета им.A.M. Горького за период 1960-1967 г. были разработаны и исследованы полупроводниковые объемные амплитудные модуляторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на основе диэлектрических волноводов (средняя длина волны 4,1,5, 2, 0,86 мм), на основе металлических волноводов прямоугольного сечения и для квазиоптических линий передачи (средняя длина волны 8...
- II -
рг..0,3 мм), со следующими характеристиками: начальные потери і менее I дБ в миллиметровом диапазоне и не более 3 дБ в субмиллиметровом диапазоне, изменение ослабления *» 20-25 дБ при управляющем токе ~* 50 мА и напряжении питания ~ 1,2-2,5 В, быстродействие 10 кГц на уровне 0,5, ширина полосы + 10$ и шире.
Одновременно в I960 - 62 гг. в зарубежной печати появились сведения о модуляторах миллиметрового диапазона на основе ріп--диодов, которые обычно представляли собой элемент, вытянутый вдоль средней линии волновода / 29 / или стержень, расположенный вдоль тракта / 30 /. В настоящее время имеется большое количество публикаций, посвященных свойствам и применению полупроводниковых модуляторов электромагнитных волн, в том числе несколько монографий и обзоров / 31 / - / 34 /.
Исследования дифракции на свободных носителях зарядов проводилось, в основном, в ближней Ж области на краю собственного поглощения полупроводников, где коэффициент поглощения очень мал даже при высоких концентрациях носителей заряда и дифракция возникает за счет изменения показателя преломления ~ 10 * * 10" , так что решетку можно рассматривать как чисто фазовую а на ее формирование требуются большие мощности. Основное количество исследований посвящено явлению самодифракоди на свето-идуцированных фазовых решетках в различных полу проводниках. Например, / 20 /, / 21 /.
В работах / 12 /, / 13 /, / 35 / описываются некоторые возможности отклонения луча за счет изменения показателя преломления при неоднородном распределении носителей вблизи края собственного поглощения. Появились работы, посвященные исследованию дифракции на фотогенерированных решетках в Si ,Сс/5е, Cd $^х Sex в пленочных волноводах в ближней Ж области (Л^1,05 мкм)/22/,
V 2Ъ /, / 36 /. Решетки здесь сформированы за счет интерферен- ' иди лучей от двух внешних по отношению к волноводу лазеров мощностью МО2 МВт/см2, работающих в импульсном режиме. Получена эффективность дифракции ~ 45$ TMQ моды в волноводе из J а "fy-х ж при протяженности решетки вдоль волновода ->- 10 Я.
Однако следует заметить, что ряд задач может быть решен более эффективно с помощью объемных структур, а не волноводных: -- это задачи управления большими мощностями, получение низких вносимых потерь, управление в системах с дифракционным ограничением, например, при голографической обработке данных и в системах космической связи.
В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, где поглощение и изменение показателя преломления может быть весьма значительными, полупроводниковые дифракционные структуры следует рассматривать, как амплитудно-фазовые или амплитудные решетки. В работах / 14 /, / 37 /, проводившихся нами в рамках договора о творческом содружестве ХГУ и ИРЭ АН УССР и по НИР 31-76 / 65 /, описаны исследования дифракции миллиметровых волн на объемных структурах с периодически неоднородным распределением электронно-дырочной плазмы в условиях амплитудной модуляции электромагнитной волны, осуществляемой фотогенерацией или инжеквдей из нелинейных контактов неравновесных носителей заряда при малых мощностях управления ( ^* 10 мВт/см2).
Таким образом, из вышеизложенного следует, что несмотря на обилие работ по полупроводниковым модуляторам, вопрос изучен далеко не полностью. В частности, недостаточно экспериментальных данных относительно оптических свойств полупроводников в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн; нет достаточно полного анализа влияния объемных структур с управляемой электронно-дырочной плазмой на распространение электромаг-
- із -
інитной волны; распространенные приближенные соотношения для малых и больших уровней инжекщи не дают всех решений для условий поглощения и отражения, так как управление может производиться во всем возможном диапазоне уровней инжекции; значительный интерес представляет разработка и исследование многоконтактных управляющих элементов, в том числе в интегральном исполнении, для увеличения эффективности и быстродействия модуляторов, а также для создания дифракционных структур; необходимы исследования влияния поверхности и температуры на характеристики управляющих элементов.
Исследование дифракции электромагнитных волн на неоднородной электронно-дырочной плазме, в ММ и СубММ диапазонах, насколько нам известно не проводилось. Однако такие исследования особенно в объемных структурах, имеет большое значение,поскольку это явление может быть использовано для создания целого класса полупроводниковых приборов с управляемым шагом и формой неоднородности, позволяющих осуществлять анализ, управляемое отклонение, ответвление, фокусировку и т.п.электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра.
Решению этих задач и посвящена данная диссертационная работа. Цель - исследование влияния поглощения на свободных носителях заряда и полупроводнике на распространение электромагнитной волны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, а также применение полученных результатов для практических целей.
Основными положениями работы, выносимыми на защиту, являются следующие:
I. Методика расчета характеристик модуляторных и дифракционных структур с распределением электронно-дырочной плазмы,регулируемым фотоинжекцией или инжекцией из системы нелинейных переходов.
\~ - Расчет в приближении геометрической оптики основных ха- I рактеристик дифракционного элемента в виде слоя полупроводника с периодически неоднородной электронно-дырочной плазмой, представляющего собой амплитудную синусоидальную решетку.
Расчет ослабления и коэффициента отражения модуляторного элемента в виде диода с тонкой базой от плотности управляющего тока через р-п переход для малых и больших уровней инжекции.
Построение метода расчета зависимости концентрации носителей заряда, ослабления и коэффициента отражения от плотности тока, протекающего через р-п переход и расстояния от р-п перехода с учетом зависимости времени жизни от концентрации носителей заряда и влияния электрического поля на длину диффузии, позволяющего производить расчет сложных конструкций диодов и модуляторных элементов с любой протяженностью базы и полупроводниковых дифракционных элементов с учетом различных эффектов, имеющих место в отдельных участках базы и прилегающей к ним поверхности полупроводника..
Конструкции и технология полупроводниковых амплитудных модуляторов миллиметровых и субмиллиметровых волн и результаты экспериментального исследования в диапазоне температур от комнатной до азотной.
2. Разработаны и исследованы реальные многоконтактные полупроводниковые структуры определены пути и разработаны способы увеличить эффективность и быстродействие модуляторов при одновременном обеспечении значительных размеров элемента, а также создавать различные дифракционные устройства с управляемыми свойствами, работа которых обусловлена расположением групп контактов или последовательностью их включения.
- Мозаичная структура, имеющая на боковых поверхностях пла
стинки полупроводника систему р-п переходов, которые при подаче
- 15 -управляющего напряжения на торцевые контакты работают одним ( краем как инжектор, а другим как коллектор неосновных носителей.
- Структура с индуктивной микродроссельной развязкой, в ко
торой с целью развязки управляемого и управляющего сигналов,
р-п переходы и невыпрямляющие контакты могут быть выполнены в
виде змеевидных спиралей, расположенных на одной стороне или
на двух противолежащих сторонах полупроводниковой пластины.При большом количестве спиралей возможна модуляция широких пучков с произвольной поляризацией.
Слоистая структура в виде стопы из плоских тонких диодов. Значительное увеличение быстродействия обеспечивается за счет управления концентрацией носителей не по всему объему базового слоя, а только вблизи р-п перехода (поглощающая "стенка").
Структура с решеткой малых контактов в объеме на основе эпитаксиального кремния.
3. Результаты исследования дифракции электромагнитной волны в ММ диапазоне длин волн на неоднородной электронно-дырочной плазме в германии.
- Конструкции и технология изготовления полупроводниковых
дифракционных элементов.
^ -
Метод фотоклиброваиного точечного зонда для определения концентрации неравновесных носителей заряда в полупроводнике.
Результаты экспериментального исследования дифракции электромагнитной волны на периодически неоднородной фотогене-рированной электронно-дырочной плазме в германии.
Дифракционные свойства полупроводникового элемента с периодически неоднородной плазмой, управляемой инжекщей из системы р-п переходов, у которых изменение шага осуществлялось переключением управляющего сигнала между различными группами
ф-п переходов.
Фокусирующие свойства полупроводникового элемента в виде слоя полупроводника с линейно неоднородной электронно-дырочной плазмой, распределенной по закону зонной пластинки Френеля. Возможность управления фокусным расстоянием.
Управляемые фокусирующие свойства полупроводниковой зонной пластинки Френеля.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 10 приложений. Объем работы 150 стр.текста, 13 таблиц, 100 ри- ; сунков, 87 наименований цитированной литературы.
В первой главе рассмотрены основные соотношения, характеризующие распространение электромагнитной волны при поглощении на свободных носителях заряда и рассчитаны основные оптические коэффициенты от частоты и проводимости в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне для германия. Даны рекомендации по выбору полупроводникового материала для модуляторных дифракционных элементов.
Проведен расчет зависимости коэффициентов отражения и пропускания и их фаз, а также начальных потерь и коэффициентов модуляции прошедшей и отраженной волны от параметров однородного слоя полупроводника с управляемой проводимостью для случая падения плоской электромагнитной волны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн. Учитывалась инерционность свободных носителей заряда. Рассмотрены частотные характеристики слоя и условия его согласования.
Проведен расчет изменения коэффициентов отражения и пропуск кания слоя, от плотности тока, когда управление осуществляется инжекцией из р-п перехода. Для учета влияния изменения времени жизни носителей заряда от их концентрации и влияния электрического поля на длину диффузии использовался метод последовательных
приближений. Этот метод позволяет проводить расчет сложных конструкций диодов и модуляторных элементов с учетом дефектов в базе и на поверхности.
Для слоя германия с периодически неоднородным распределением электронно-дырочной плазмы проведен расчет интенсивности нулевого максимума прошедшей волны, эффективности дифракции в прошедших и отраженных лучах, интенсивности зеркально отраженной волны, для прошедшей и отраженной волны в зависимости от относительной толщины слоя полупроводника, проводимости и фактора конкретности. Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию поглощения и отражения слоя германия с управляемой проводимостью, а так же разработке и исследованию амплитудных модуляторов для различных видов тракта в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Описаны конструкции и технология. Проведены экспериментальные исследования характеристик двухконтактных модуляторных элементов - ослабления, отражения,-от плотности тока через р-п переход, распределения концентрации неравновесных носителей заряда, геометрии базы, состояния поверхности, температуры и частоты управляющего сигнала.
В третьей главе описаны результаты разработки и исследования многоконтактных структур, обеспечивающих высокое быстродействие и эффективность управления в том числе и в трактах относительно большого поперечного сечения.
Четвертая глава посвящена исследованию дифракции электромагнитной волны миллиметрового диапазона на неоднородной фото-генерированной или инжектированной из р-п переходов электронно-дырочной плазме и применению в системах управления. Такие исследования в миллиметровом диапазоне проводятся, по-видимому впервые.
В заключении обсуждаются основные результаты проведенных ис-
- 18 -Следований, выводы, рекомендации, а также указаны перспективы ' дальнейших исследований.
В приложениях описаны конструкции полупроводниковых модуляторов в различных видах тракта и некоторые возможности их применения для стабилизации уровня мощности и визуализации изображений в ММ и СубММ волнах.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Ш Всесоюзной конференции МВО/. СССР по радиоэлектронике. Киев, 1959 г., ІУ Всесоюзной конференции МВО СССР по радиоэлектронике, Харьков I960 г., I Всесоюзной научно-техническом совещании по радиоизмерительной технике, Москва 1961 г., Всесоюзной научно-технической конференции по радиотехническим измерениям, Новосибирск, 1967 г., научно-техническом семинаре по вопросам техники ММ и СубММ волн, Москва 1963 г., Всесоюзном семинаре по технике ММ и СубММ волн, Харьков 1972 г., научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ІШ ХГУ в 1970 - 1983 г.г.
Основные положения диссертации опубликованы в / 14,37,49, 51,52,63,64,71-73,81-83,85-87 /.
Модуляция прошедшей и отраженной волны однородным слоем с управляемой проводимостью
Таким образом, имеются толщины пластинки, при которых коэффициент отражения не зависит от изменения электропроводности полупроводника, при этом R =0,263 для малых fid (рис. 1.8). Если fid нельзя считать малым, то R(6] Ф C0P$i , хотя изменение R с проводимостью 6 в этом случае мало.
Сопоставление кривых на рис. 1.10 и I.II, соответствующих del - 20 показывает, что с помощью пластинок, толщина которых намного меньше длины волны электромагнитного излучения можно получить значительное изменение коэффициента пропускания при малом изменении коэффициента отражения, хотя абсолютное значение его довольно велико.
Приведенные выше зависимости (1.25) и (1.26) могут быть проанализированы с точки зрения взаимодействия общего количества носителей с электромагнитной волной. Поскольку в условиях, реализуемых в наших экспериментах, можно считать, что подвижность носителей постоянна, то у? можно представить в виде где пп СІ - произведение концентрации носителей на протяженность полупроводника - пропорционально общему количеству носителей, с которым взаимодействует электромагнитная волна, проходящая через пластинку.
Таким образом коэффициент пропускания определяется произведением nnd то есть общим количеством носителей в объеме полупроводника и при d = - равно
Это иллюстрируется графиками на рисунке 1.7, из которых следу- ет, что коэффициент пропускания в точкахЙ (d =0,5, Р = 5), В ( d =i; р =10) и С ( d =2,5; р 25), характеризуемых одним и тем же значением /р = 0,1 - одинаков (7 = Т& = = = 0,63).
Из этого следует, что для достижения требуемого коэффициента поглощения нужно выбирать объем полупроводника большой протяженности с малой концентрацией носителей, либо малой протяженности с большой концентрацией носителей, поскольку произведение nnd (или отношение % ) сохраняет постоянную величину для одного и того же поглощения при условии неизменности .
В частности можно использовать в качестве управляемого поглотителя очень тонкий слой полупроводника с очень высокой концентрацией носителей. Практически осуществить это затруднительно, но может быть выполнена конструкция с несколькими очень тонкими слоями полупроводника, расположенными в направлении распространения электромагнитной волны на расстоянии, обеспечивающим отсутствие отражения. В каждом из таких слоев поглощение будет определяться произведением /7/7 d , и если использовать достаточное количество пластинок, то можно осуществить реальную конструкцию прибора с малым и неизменным в широком диапазоне частот и проводимостей отражением и достаточно глубокой модуляцией.
Кроме того, в тонком слое можно обеспечить высокое быстродействие за счет большой скорости рекомбинации на поверхности. Искусственное увеличение скорости рекомбинации обработкой поверхности дает возможность значительно повысить быстродействие.
Исходя из того, что поглощение определяется общим количеством носителей, взаимодействующих с электромагнитным полем, сле-__дует возможность использования полупроводникового материала с очень малой начальной концентрацией носителей, но большим от- носительным изменением концентрации, возникащим в процессе управления (например, за счет инжекцаи). Это позволяет обеспечить большие отношения р01р а, следовательно, большой диапазон управления проходящей мощностью.
Пределы изменения пропускания электромагнитной волны удобно оценивать величиной эффективного коэффициента модуляции К , который для прошедшей через пластинку волны будем определять как разность между минимальным и максимальным значением выходной мощности, отнесенной к подводимой мощности.
Аналогично эффективный коэффициент модуляции отраженной волны равен Предположим, что при увеличении концентрации носителей заряда в полупроводнике, Ро уменьшается до величины JD . Из графиков на рис. I.I2, построенных для пятикратного изменения удельного сопротивления видно, что А Т осциллирующая функция параметра dl и принимает максимальные значения при df кратном 0,5. Если проследить за огибающими, которые соединяют максимальные значения А Т (на графике показаны пунктирными линиями), то можно заметить, что при любом начальном удельном сопротивлении пластинки можно получить приблизительно одно и то же значение д тмакс» БЫ 5Рав характеристическую толщину пластины, кратную 0,5. Это в равной мере относится и к зависимости д Т от с/ при других значениях 0 /р , что видно из рис.1.13, I.I4 для % (для наглядности показаны только огибающие).
Исследование распределения потенциала, концентрации неравновесных носителей заряда и ослабления в активной области модуляторного элемента
На рисунке 1.26 представлены частотные зависимости и Т пластины германия для двух размеров с/ =0,5ис//=3 при различных значениях jO , из которых следует, что полоса частот, где R не превышает 10$ составляет 5% (для р = I0-J-I00 ОМ.СМ/МЛ), причем широкополосность уменьшается с увеличением толщины и с уменьшением проводимости полупроводника.
Введение просветляющих покрытий дает возможность уменьшить коэффициент отражения, когда модулятор работает в условиях больших fid (поглощение значительно) и приблизить его к тем малым значениям R , которые существуют за счет интерференции в отсутствии поглощения.
Рассмотрим случай, когда тонкий диэлектрический слой с с разделяет два полу бесконечных диэлектрика (рисунок 1.27а). В случае нормального падения волны коэффициент отраже ния равен толщина согласующего слоя. Как известно / 42 / коэффициент отражения обращается в нуль при условии:
Оценим влияние проводимости на условия согласования, когда согласуемая среда II - полупроводник с диэлектрической проница - 56 -[емостью tt и удельной проводимостью 6 . Для этого в уравнениях! (1.53) и (1.54) заменим ( комплексной величиной / 17 / нимального коэффициента отражения находится по соотношению и условия согласования запишутся следующим образом:
Выражение для оптимального значения величины dc из условия ми где оптимальная толщина согласующего слоя в отсутст Р вии потерь в полупроводнике
На рис. 1.276 представлена зависимость поперечного коэффициента от р для трех значений Сс J 4 (идеальный случай); 3,9 (кварц); 2,56 (полистирол). Как видно ощутимое влияние про-водимости полупроводника имеет место при малых значениях (р 1), то есть в условиях очень глубокой модуляции. В области концентраций, отвечающей р 5, поправка составляет несколько процентов и практически не влияет на точность определения оптимальной толщины согласующего слоя.
Зависимость коэффициента отражения от диэлектрической проницаемости просветляющего слоя изображена на рис. 1.28. Как видно, потери на отражение резко возрастают при отклонении от (оптимального значения cfc = 4 для германия. Та же зависимость изображена на рисунке 1.26в при постоянном значении толщины согласующего слоя с/с =г-4=- (кривая 2). Кривая I представляет со 8\/Ес бой зависимость оптимальной толщины просветляющего слоя от сь » кривая 3 - зависимость коэффициента отражения от cfc при оптимальной толщине согласующего слоя.
Поскольку диэлектрическая проницаемость кремния не сильно отличается от диэлектрической проницаемости германия, то описанные выше результаты могут быть использованы и для кремния с небольшой поправкой. Так для кремния с/с = V 12 = 3,46, что да
Оценка широкополосности согласующего слоя на основе соотношений (1.53) при условии и пренебрежении слагаемыми, вес которых меньше 1,5% npsLuJ 20% приводит к следующему соотношению для модуля коэффициента отражения по мощности = 0,89 0+4574/1) (1 57)
Эта зависимость представлена на рис. 1.27г. При уходе частоты на 20% потери на отражение не превышают 0,2 дБ. Таким образом, этот метод согласования позволяет перестраивать частоту в достаточно широком интервале без значительного увеличения потерь на отражение.
С точки зрения уменьшения потерь на отражение представляется полезным рассмотреть случай падения плоской вертикально поляризованной волны под углом наименьшего отражения во .
Коэффициент отражения такой волны от полупроводниковой среды при угле падения волны во можно получить из известного соотношения путем замены JL комплексной величиной из соотношения (1.55). Тогда для , =1 модуль коэффициента отражения по мощности можно записать в виде
По формуле (1.59) были рассчитаны и построены графики зависимости коэффициента отражения вертикально поляризованной волны от угла в при р = I; 5; для германия и кремния, которые представлены на рисунке 1.29. Условия, для которых рассчитывались эти графики, могут быть реализованы в миллиметровом и в субмиллиметровом диапазонах волн.
Из рис. 1.29 следует, что если полупроводниковый элемент установить таким образом, чтобы плоская вертикально поляризованная волна падала на него под углом наименьшего отражения, то начальные потери на отражение будут составлять не более 0,5$ при ) : 5.
Структура с решеткой малых контактов в объемена основе эпитаксиального кремния
Была исследована зависимость ослабления, вносимого модулятором в тракт от величины управляющего тока при различных значениях ftfjfo На рис. 2.10е приведена характерная кривая ослабления модулятора от величины управляющего тока, а на рис. 2.10в изменение ослабления & при токе 50 мА в зависимости от Fj/Fo .Как следует из рис. 2.10е с увеличением числа дефектов, а следовательно, и скорости поверхностной рекомбинации уменьшается вели - 126 чина ослабления, вносимого модулятором в тракт при одном и том же изменении тока. Это хорошо согласуется с результатами измерения вольтамперной характеристики и объясняется уменьшением концентрации свободных носителей за счет рекомбинации на поверхности.
На рис. 2.10а представлена зависимость амплитуды промоделированного сигнала от частоты управлящего сигнала при различных значениях отношения площади поверхности с высокой скоростью поверхностной рекомбинации к площади с низкой скоростью рекомбинации Рд/р. Напряжение управляющего сигнала, который подавался от генератора ГЗ-33, поддерживалось постоянным U = їв при изменении частоты от 200 Гц до 200 кГц. Для обеспечения режима линейной модуляции на модулятор подавалось постоянное напряжение смещения UCM - 0,5 В ( У = 12 мА). Как видно из графика на рис. 2.10а спад характеристики до уровня 0,7 при $ = 100 см/бек ( = 0) наступает при JH =2,5 кГц. С увеличением количества дефектов спад на уровне 0,7 наступает при более высоких частотах модуляции и в другом предельном случае, когда fy/f0-«-1 (ширина дефекта сравнима с расстоянием между ними и можно считать, чтоб 4 10 см/сек) уровень 0,7 достигается при f 20кГц. Это свидетельствует об увеличении скорости рассасывания концентрации избыточных носителей заряда в объеме полупроводника за счет уменьшения времени жизни при нанесении механических дефектов на поверхность и использовалось в данной работе для увеличения быстродействия модуляторов.
Увеличение быстродействия сопровождается уменьшением амплитуды промодулироваиного сигнала на низких частотах и увеличением на высоких, в результате чего частотная характеристика выравнивается.
Описанный метод введения дефектов на поверхность может быть -использован для стабильного изменения поверхности полупроводника и характеристик модуляторного элемента.
В данном разделе рассмотрены ослабление и быстродействие полупроводникового модулятора в диапазоне температур 300-77К.
Температурная зависимость токовых и временных характеристик модулятора будет являться следствием температурных зависимостей электрофизических параметров полупроводникового материала - под-вижностей, коэффициента диффузии, времени жизни носителей зарядов Т . Кроме того, вследствие сильной температурной зависимости Т возможно значительное изменение характера пространственного распределения неравновесных носителей в базе. Это значительно осложняет исследование. Поэтому рассмотрение будет проводиться для случая малых и больших уровней инжекции, где можно принять время жизни независящим от концентрации, и для диодов с тонкой базой в предположении, что распределение носителей в базе однородно и не меняется с температурой.
Для почти собственного германия с удельным сопротивлением р- 40 ом.см (концентрация доноров Мої -10 см ), используемого в данном случае для изготовления модуляторов, в области температур 273-77К практически все доноры ионизированы, и концентрация носителей п почти не меняется, концентрация же собственных носителей заряда очень мала / 41 /
Следовательно, температурная зависимость удельной проводимости в этом интервале температур будет определяться температурной зависимостью подвижности ип, /Цр . При повышении температуры вклад щ возрастает и при Т 273К ПС»Пс/ и Р =ЛС+Пс/ ГЦ а температурная зависимость удельной про-1 водимости в области, где преобладает собственная яроводимость, определяется температурной зависимостью /1 гД .
В рассматриваемом диапазоне температур для достаточно чистых образцов (л/с/ 10 см""3) преобладающим механизмом рассеяния электронов является рассеяние на колебаниях решетки.В этом случае для германия//г? = 4,9-I07,T "I 66,///o =І,05 І09 Ґ"2,33, о =7Г" = 4,66 10 «Т0,62 / 41 / и низкочастотная проводимость $0 возрастает с температурой.
Температурную зависимость времени релаксации электронов мож-но оценить из соотношения /? =-г tn . Получается, что в нашем случае на частоте f = 75-10- Гц Тп меняется от 2,6 Ю13 сек. при 300К до 2,5 Ю12 сек при 77К, а диэлектрическая проницаемость почти собственного германия от Ьі - 16 до =15,3. Начальные потери да при этом возрастают от 0,5 до 1,5 дБ при толщине базы диода с/ = 0,5 мм (рис .2.14).
Возрастание низкочастотной проводимости So и времени релаксации с. понижением температуры в данном диапазоне температур приводит к уменьшению тем более значительному, чем ниже частота электромагнитного излучения и выше проводимость образца причем для дырочного полупроводника эти изменения гораздо больше.
Дифракция электромагнитной врлны на периодически неоднородной фотогенерированной плазме в германии
В отсутствии постоянного поля дрейфа, с ростом частоты управляющего инжекцией сигнала, инерционность носителей заряда приводит к тому, что концентрация избыточных носителей успевает следовать за изменением управляющего сигнала только в слое, прилегающем к р-п переходу и тем более тонком, чем выше частота управления. На достаточно больших частотах основной объем полупроводника толстой базы будет оставаться с практически неизменной концентрацией носителей заряда и проводимостью.
Область эффективного изменения концентрации избыточных носителей при управлении инжекцией и экстракцией на частоте уп-равления 5 10 Гц составляет 2,5 - 3,5 10 см. В модуляторе с расстоянием между эмиттером и контактом базы 2 мм (модулятор в волноводе сечением 3,6 х 1,8) объем с управляемой концентрацией на частоте 5«10 Гц составляет около 1% от общего объема полупроводника и эффективность модуляции оказывается столь низкой, что она практически не обнаруживается. Использование прилегающих к р-п переходу областей с быстроуправляемой концентрацией носителей эффективно в многослойном модуляторе, где объем полупроводника состоит из системы тонких диодов.
Высокое быстродействие здесь можно осуществить, используя управление концентрацией носителей не по всему объему базового слоя, а только вблизи п-р перехода. Такой модулятор с "поглощающей стенкой" в отличие от / 61 / дает возможность обеспечить глубину модуляции не менее 70% на частотах в несколько раз больших, чем при модуляции за счет изменения концентрации по всему объему.
Была разработана конструкция волноводного модулятора в виде стопы тонких плоских р+-п-п+ элементов (рис. 3.4в) / 64 /. Толщина каждого элемента выбиралась из условий требуемого быстродействия. В наших условиях оптимальная толщина базы составляла примерно О - 0,12+0,15 мм для частоты модуляции fM=Z Мгц. Следует отметить, что допустимая скорость модуляции с утоньше-нием базы растет сравнительно быстро, и если, для О = ОД мм частота $н - 4-5-5 Мгц, то для d = 0,7 мм уже fH 10 Мгц. Увеличение скорости рекомбинации обеспечивалось введением дополнительных центров рекомбинации, за счет диффузии никеля. При этом время жизни снижалось до величины менее I мксек. Количество элементов в стопе и их ширина определялось сечением волноводного тракта. Для обеспечения максимальной амплитудной модуляции прошедшей волны толщина модулятора бралась кратной 0,5/g . Стопа диодов располагается в волноводе так, чтобы сильно легированные слои были перпендикулярны к вектору электрического поля электромагнитной волны.
Тонкие р-п-п+ элементы изготавливались из пластинок кремния р или п-типа с удельным сопротивлением 100 120 0м.см. В пластинку полупроводника с поверхностью прошлифованной порошком не крупнее 10 мкм проводилась диффузия бора (В) на глубину 10 15 мкм для получения п-р+ контакта в кремнии п-типа или р-р+ перехода в материале р-типа. Для этого пластинка кремния и несколько кру Q А пинок бора ( - 0,2 мм ) запаивались в откаченной до 10 мм рт. ст. ампуле и выдерживались в печи при температуре І250С в течение 5 часов. Затем на поверхность пластинки химическим путем осаждался никель, впекался при температуре 800С. После никели рования с одной стороны пластинки снимается шлифовкой слой толщиной 15 мк, и поверхность полупроводника протравливается в травителе СР-4А. В результате получается структура, изображенная на рис. 3.4а для Si -п-типа. После этого на протравленную сторону химическим путем осаждается никель и впекается при температуре 800С. При впекании идет интенсивная диффузия никеля и фосфора, содержащегося в химически осажденном никеле. Коэффициент диффузии никеля значительно больше, чем фосфора и диффундирует он на большую глубину. Растворимость никеля в кремнии очень низкая , при охлаждении он склонен к группированию в решетке кремния и это вызывает значительные деформации последней. Никель (или вызываемые расклиниванием решетки дефекты) ведет себя в Si как акцептор. Благодаря малой растворимости никеля концентрация таких акцепторов не должна быть больше
. Поэтому в высокоомном п- SL он будет создавать р-п переход при достаточно длительном впекании. В низкоомном кремнии (4 Ом.см и ниже) и в высокоомном при кратковременном впекании (не более I мин) р-п переход образуется за счет диффузии фосфора из никеля. В кремнии п-типа при этом возникает п-п+ контакт. Полученная структура изображена на рис. 3.46. Затем на обе поверхности пластинки наносится горячим напылением олово или холодным - индий. Полученная таким образом заготовка разрезается ультразвуковой резкой на диоды необходимой площади.
Описанный метод позволяет производить массовое изготовление однослойных или многослойных диодов, характеристики которых не уступают сплавным диодам. Однако при этом технология значитель но упрощается и удешевляется. Кроме того этим методом можно по лучить диоды и элементы для любых видов тракта, в том числе и для полосковых линий / 71 / (см.приложение 1,2).
