Введение к работе
Актуальность темы. Появление и широкое развитие оптических систем связи, оптоволоконное управление фазированными антенными решетками, а также бурное развитие монолитных интегральных схем СВЧ диапазона, в том числе с оптическим управлением, заставляет подробно исследовать те физические процессы взаимодействия модулированного света и носителей заряда в полупроводниковых структурах, которые определяют работу этих систем. И, хотя в основе этих физических процессов лежат явления световой генерации носителей, с одной стороны, и их рекомбинация - с другой, эти явления, особенно в теоретическом плане, исследованы недостаточно полно.
Все более возрастающий интерес приобретает оптическое управление полупроводниковыми приборами в СВЧ диапазоне. Развитие интегральной технологии, волоконной и интегральной оптики, а также появление инжекци-онных лазеров открыло новые возможности, и в настоящее время такие приборы выполняют функции модуляции, переключения, усиления, управление фазой и т.д. Оптическое управление полупроводниковыми СВЧ приборами обеспечивает ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами. Наиболее важными из них является высокая степень развязки СВЧ тракта от цепей постоянного тока, что обеспечивает широкую полосу рабочих частот, короткое время фотоотклика, определяющее быстродействие и высокие модуляционные способности, совместимость с волоконно-оптической и интегрально-оптической технологией, позволяющая повысить технические характеристики, а также значительно снизить себестоимость.
В последние годы появился ряд публикаций, посвященных вопросам практического применения микроволновых устройств с оптическим управлением. Зарубежные фирмы и институты заявляют о создании как пассивных СВЧ устройств (фазовращателей, коммутаторов), так и активных приборов с оптическим управлением, в частности, оптически управляемых ФАР и АФАР, объемных интегральных СВЧ схем. В этих публикациях основное внимание уделяется принципам построения устройств, их конструкции и технологии изготовления, вопросам их применения, и практически совсем не описываются теоретические модели. Это и определяет актуальность данной работы, посвященной теоретическому и экспериментальному исследованию вопросов взаимодействия света, в частности, модулированного микроволнами и микроволнового поля в полупроводниковых фотоприемных устройствах с учетом ряда особенностей генерационно-рекомбинационных процессов.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование влияния генерационно-рекомбинационных процессов на параметры однородных по структуре и диодных полупроводниковых структур, способных работать в микроволновом диапазоне длин волн, при воздействии на эти
структуры амплитудно-модулированного (AM) света совместно с постоянным и высокочастотным переменным электрическими полями, а также экспериментальное исследование ряда свойств полупроводниковых приборов при таком фотоэлектрическом воздействии.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка аналитической модели взаимодействия AM оптического
излучения и ВЧ поля в полупроводниковых структурах, а также модели учета
зависимости параметров рекомбинации носителей от их скорости и методов
определения этих параметров.
2. Теоретическое исследование влияния генерационно-
рекомбинационных процессов при взаимодействии AM света и ВЧ поля на
параметры объема полупроводника и на его частотно-преобразовательные
свойства при бигармоническом воздействии с учетом и без учета явлений ра
зогрева носителей в сильном электрическом поле.
-
Построение теории управляемой светом микроволновой проводимости полупроводника с омическими контактами при учете влияния переменного объемного заряда в предположении известной объемной проводимости.
-
Разработка аналитической модели воздействия оптического излучения на слой умножения лавинно-пролетного диода (ЛПД), оценка результатов такого воздействия на СВЧ комплексную проводимость ЛПД, а также теоретическое исследование частотно-преобразовательных свойств диодных структур (ЛФД и р-i-n ФД) при приеме AM света и при наличии ВЧ поля.
-
Анализ воздействия генерационно-рекомбинационных процессов на работу автоколебательной системы на ЛПД (автогенерация, регенеративное усиление частоты модуляции света и синхронизация ею генератора).
-
Экспериментальное исследование преобразовательных свойств приборов с лавинным умножением и p-i-n фотодиодов при приеме AM света и определение рекомбинационных параметров полупроводников.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Проведено теоретическое исследование взаимодействия AM света с высокочастотным полем в объеме полупроводника и в диодных структурах с учетом зависимости рекомбинационных параметров от скорости носителей и электрического поля и предложены методы определения этих параметров.
-
Впервые в рамках локально-полевого приближения проведен анализ влияния AM света и постоянного и СВЧ полей на микроволновую проводимость и ток в объеме однородного полупроводника с учетом зависящей от электрического поля рекомбинации носителей, а также с учетом разогрева носителей в постоянном и СВЧ полях. Получены зависимости компонент тока и микроволновой проводимости от параметров такого воздействия.
3. Предложена теоретическая модель влияния генерационно-
рекомбинационных процессов на активную область ЛПД. Получены соотно
шения для расчета оптически управляемой комплексной электронной прово
димости ЛПД.
4. Проведен теоретический анализ преобразовательных свойств диод
ных структур при приеме AM света.
-
Предложен алгоритм расчета оптимизированного по выходной мощности оптически управляемого автогенератора на ЛПД, а также дана теория нелинейного регенеративного усиления частоты модуляции света и синхронизации автогенератора на ЛПД этой частотой.
-
Проведено экспериментальное исследование преобразовательных свойств ЛФД и p-i-n ФД при приеме AM света. Проведено экспериментальное определение рекомбинационных параметров в CdSe.
Практическая значимость полученных в работе результатов:
-
Полученные решения позволяют проводить расчет объемных полупроводниковых микроволновых устройств с оптическим управлением.
-
Полученные результаты позволяют оценивать и оптимизировать характеристики СВЧ устройств на активных диодах с оптическим управлением.
-
Показано, что диодные структуры с лавинным умножением могут с успехом применяться в системах приема модулированных оптических сигналов, в частности, с преобразованием частоты модуляции.
-
Результаты работы внедрены в НИР "Марьяж" (г.Баку), НИР "Го-рожанка-Т" (г.Таганрог), в учебном процессе ТРТУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическая модель учета генерационно-рекомбинационных
процессов в полупроводниковых приборах при воздействии AM света, посто
янного и СВЧ полей с учетом зависимостей поперечного сечения рекомбина
ции от скорости носителей и электрического поля и результаты расчета ре
комбинационных параметров в конкретных полупроводниках.
-
Локально-полевая модель влияния разогревных и генерационно-рекомбинационных процессов на объемную комплексную микроволновую проводимость и частотно-преобразовательные свойства объема полупроводника.
-
Диффузионно-дрейфовая модель оптически управляемой полной микроволновой комплексной проводимости объема полупроводника.
-
Результаты теоретического исследования воздействия оптического излучения на параметры и характеристики ЛПД и исследования преобразовательных свойств диодных структур (ЛФД и p-i-n ФД).
-
Результаты теоретического исследования влияния генерационно-рекомбинационных процессов на параметры и характеристики ЛПД-автогенератора с оптическим управлением, регенеративного усилителя частоты модуляции света и синхронизованного этой частотой генератора.
-
Результаты экспериментального исследования преобразовательных свойств диодных структур при приеме модулированных по интенсивности оптических сигналов и экспериментального определения рекомбинационных параметров в CdSe.
Реализация результатов работы. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты нашли практическое применение в научно-исследовательских работах лаборатории «Оптоэлектроники» ТРТУ, отдела функциональной электроники ОКБ космического приборостроения Азербайджанского Национального Аэрокосмического Агентства (г.Баку), используются в научных исследованиях и учебном процессе при подготовке студентов кафедры радиотехнической электроники в Таганрогском государственном радиотехническом университете.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на следующих конференциях:
VII международная крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии, сентябрь, г.Севастополь, Украина, 1997 г.;
VIII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2002», Дивно-морское, сентябрь 2002 г.;
Всероссийская конференция "Излучение и рассеяние ЭМВ" ИРЭМВ-2001, ТРТУ, Таганрог, июнь 2001 г.;
Международная научно-техническая конференция "Оптика, оптоэлектроника и технологии", Ульяновск, июнь, 2001 г.;
Международная научно-техническая конференция «Оптика полупроводников 2000», Ульяновск, июнь 2000 г.;
VII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2000», Дивно-морское, сентябрь 2000 г.;
VI международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, сентябрь, 1999 г.;
III международная научно-техническая конференция «Электроника и ин-форматика-ХХІ век», Зеленоград, ноябрь 2000 г.
V международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 6-11 сентябрь, 1998 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из них 10 статей и 17 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 145 страницах (без приложений) и включает 64 рисунка и 105 наименований отечественной и зарубежной литературы.
