Введение к работе
Актуальность. Современное развитие телекоммуникационных систем вызвало большой интерес к исследованиям, направленным на увеличение быстродействия элементной базы. В настоящее время микроволновые системы работают практически на пределе своей пропускной способности и какое-либо улучшение передающих характеристик этих систем затруднительно, чего нельзя сказать о системах оптической связи, перспективы развития которой огромны. Ряд фирм и университетов -(Германии, США, Японии, Швейцарии и др.) в рамках приоритетных национальных программ ведут интенсивные исследования по созданию основных компонентов оптических систем со скоростью передачи информационных сигналов в диапазоне 20 -100 Гбит/с. В России такие исследования проводятся, в частности, в ИРЭ РАН (Институте радиотехники и электроники РАН), Физико-техническом институте (Санкт-Петербург), НИИ «Сапфир», «Пульсар» (Москва) и др.
В этом плане актуальными являются исследования процессов взаимодействия постоянных и переменных электрических полей в полупроводниковых структурах, находящихся под воздействием модулированного светового потока и использование на практике новых физических эффектов в полупроводниках, на основе которых разрабатываются новые классы фотоприемников и совершенствуются приборы преобразования и выделения оптических сигналов.
Использование ряда эффектов позволяет создавать фотоприемные элементы различного типа, а оптимизация их улучшает отдельные параметры и характеристики таких устройств.
Наименее изученным при этом остается вопрос учета сложного характера генерационно-рекомбинационных процессов, зависящих от параметров полупроводниковых материалов, свойств р-я-переходов и контактов, уровня и характера воздействующих полей и сигналов.
В настоящей работе указанную проблему предлагается решать путем проведения теорепгческого анализа физических процессов, протекающих в полупроводниковых структурах и материалах в локально-полевом приближении для определения полного спектра тока, определения величин динамической фотопроводимости по каждой из гармонических и комбинационных составляющих, с учетом различных законов рекомбинации носителей, оценки эффективности преобразования частоты модуляции света и определения реально достижимых параметров фотоэлементов, использующих эффекты оптико-полевого взаимодействия.
Из анализа посвященных данной проблеме работ можно сделать .-/вод о том, что до настоящего времени в большинстве случаев авторы, гремясь как можно более строго решить задачу обнаружения модуляции ..птического сигнала, не учитывают эффекты преобразования частоты модуляции света и законы рекомбинации генерированных светом носителей заряда, зависящие не только от параметров полупроводниковых материалов, но и от характера оптического воздействия.
Такой односторонний подход к решению проблемы создания полупроводниковых фотоприемников, по мнению ряда авторов, привел к задержке на несколько лет разработки новых типов фотоэлементов, способных работать в многоканальных системах, использующих отличную от общепринятых в оптике методов (оптических: гетеродинного и гомо--инного) приема - избирательных, достижения высокой чувствительно-:и, технологической простоты, надежности, минимального веса, габа-тов и цены.
В связи с перспективностью использования избирательных мето-: приема оптических сигналов по сравнению с методами прямого де-сгирования, оптического гетеродинного и гомодинного приемов пред-тавляется важным проведение исследований преобразовательных свойств различных полупроводниковых структур и приборов на новом уровне, т.е. с учетом тех физических явлений, которые имеют место в таких фотоэлементах при оптико-полевом воздействии. Следовательно, при рассмотрении взаимодействия потока квантов с полупроводниковы-іи материалами в области собственного или примесного поглощения на лове теории столкновений, кроме параметров материала (подвижность мтслей, среднее время жизни, длина свободного пробега, концентра-'. примесей и энергетические положения разрешенных зон и плотного уровней энергии в них с вероятностью их заполнения и др.) необ-;одимо учитывать поперечное сечении рекомбинации и зависимость его ут скорости движения носителей, энергии и величин квазиимпульса и
Принципиальное отличие нового этапа в разработке фотоприем-:,иков состоит в том, что физическое проектирование переводится на но-зый, молекулярный уровень и объектом проектирования становится сам полупроводниковый материал и эффекты более высокого порядка, именно такая методика позволяет решить задачу достижения требуемой чувствительности, избирательности и одновременно минимизации коэффициента шума за счет резкой асимметрии эффективных коэффици-
ітов ионизации (например, в p-i-n и ЛФД), снижения влияния темново-
j тока и др.
Построенные на основе таких структур фотоприемники (ФПр) при модуляции светового излучения поднесущими с AM, ЧМ или ФМ потенциально могут работать, в различных режимах приема (гетеродинном, супергетеродинном, регенеративном и сверхрегенератив-ним, синхронном и асинхронном детектировании, реализуемых и в ав-тодинных вариантах), которые сегодня практически не используются, и даже теоретические разработки не создают базы для развития данного направления как в многоканальных и телекоммуникационных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), так и в лазерных атмосферных и космических линиях связи (ЛАЛС и ЛКЛС). Их схемотехническая простота и в ряде случаев цена могут оправдать некоторые затраты на структурные преобразования систем выделения сигналов, что в значительной мере окупится применимостью методов во всем оптическом диапазоне, достижимыми параметрами и рядом технических преимуществ, в частности, улучшенными шумовыми характеристиками (теоретические оценки которых сегодня в технической литературе также практически отсутствуют), скрытностью, более высокой чувствительностью и др.
В связи с этим теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия модулированного светового потока, переменного (не рассматриваемого ранее) и постоянного электрических полей в различных полупроводниковых структурах с учетом характера законов рекомбинации, в приближении зависимости сечения рекомбинации от скорости и от энергии носителей, возможности прямого и ловушечного механизмов рассеяния в зависимости от параметров внешнего воздействия представляется своевременным, актуальным и вполне обоснованным.
Большой вклад в развитие теории фотопроводимости и использования её для построения фотоприемных элементов и устройств внесли Ландау Л.Д., Лившиц Е., Гуткин А.А., Наследов Д.Н., Рыбкин СМ., Я.А.Федотов, Г.Е.Пикус, Алферов Ж.И., Вавилов B.C., Субашиев В.К., Равич Ю.И., Гуляев Ю.В., Лукьянчикова Н.Б., Фомин Г.А., E.H.Putley, T.S.Moss, T.D.F.Hawkins, W.Shockley, Patent U.S., Bube R.H., Van Der Ziel, Biard J.R., Bonin EX., Carr W.N., Pittman G.E. и др.
Цель и задачи работы. Разработка теоретических основ построения качественно нового класса избирательных полупроводниковых фотоприемных элементов и развитие методов приема оптических сигналов для многоканальных и телекоммуникационных систем связи и устройств для реализации этих методов. Для достижения поставленной цели решены научные и прикладные проблемы исследования процессов нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного
электрического поля в полупроводниковых структурах, включающей в себя ряд взаимосвязанных вопросов, среди которых важнейшими являются:
1) Установление, в результате проведения теоретических и экс
периментальных исследований нелинейных эффектов взаимодействия
модулированного света, постоянного и переменного электрических по
лей с полупроводниковыми структурами, новых физических закономер
ностей, связанных с учетом :
-сложного характера взаимодействия света, постоянного и переменного электрических полей в широком классе полупроводниковых приборов и полупроводниковых структур, имеющих практическое применение;
-зависимости параметров рекомбинации носителей в полупроводниковых структурах при различных законах и видах рекомбинаци-онных переходов от постоянного и переменного электрических полей;
-разработки и создания на основе упомянутых нелинейных эффектов теоретических основ построения новых типов избирательных фотоэлементов для фотоприемных устройств и оценка их основных параметров и характеристик;
2) Анализ существующих элементов, устройств и методов фото-
приема с целью разработки принципиально новых решений, позволяю
щих упростить системы и устройства фотоприема, и пригодных для по
строения многоканальных и телекоммуникационных каналов оптиче
ской связи.
Методика исследований. Достижение поставленной цели обес-
ечивается путем проведения теоретических и экспериментальных ис-
ідований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы
еретическими расчетами, сравнением с известными результатами и
шериментальными данными. Физические и математические модели
?еют наглядную физическую интерпретацию. В работе использованы
азвитые на случай оптико-полевого воздействия методы квазилинейно-
о анализа процессов генерации и рекомбинации носителей в объеме
юлупроводниковых структур в локально-полевом приближении. Про-
зрка результатов теоретических исследований осуществлялась модели-
ованием процессов на ПЭВМ и натурными испытаниями лабораторных
серийных образцов фотоэлементов и полупроводниковых структур,
то позволило предложить и разработать ряд избирательных устройств
штического диапазона.
Научная новизна работы. Проведено теоретическое исследование процессов нелинейного взаимодействия модулированного света, по-
7 стоянного и впервые переменного электрических полей в объеме полупроводниковых структур, с целью создания избирательных фотоприемных элементов и устройств. Разработаны обобщенная физическая и математические модели процессов взаимодействия, пригодные для значительного класса полупроводниковых структур. Созданы теоретические предпосылки для проектирования фотоприемников многоканальных и телекоммуникационных оптических систем связи нового поколения. В указанном можно выделить следующие основные положения.
-
Проведен целенаправленный комплекс теоретических и экспериментальных исследований нелинейного взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей в объеме полупроводниковых материалов и приборов по установлению новых физических закономерностей, связанных с учетом влияния сложного характера рекомбинационных процессов и зависимости параметров, полупроводниковых структур от параметров электрических полей и оптического излучения. Предложена и развита для основных типов полупроводниковых элементов, экспериментально подтверждена теория нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля с учетом процессов генерации и зависящей от поля рекомбинации носителей заряда.
-
Для ряда полупроводниковых и фотоприборов (включая биполярные и полевые транзисторы) исследованы и определены параметры рекомбинации носителей, динамическая комплексная фотопроводимость, спектральные составляющие плотности тока как в приближении зависимости поперечного сечения рекомбинации от скорости движения носителей и подвижности, так и в приближении этой зависимости от энергии носителей.
3. Исследованы частотные характеристики, определяющие быст
родействие объемных фотоприемников модулирующей поднесущей при
линейном и квадратичном законах рекомбинации носителей в случае
импульсного режима работы.
4. Разработаны и предложены новые методы избирательного
приема сигналов в оптическом диапазоне частот на полупроводниковых
структурах и ряде известных полупроводниковых активных, пассивных
и фотоприборов. Установлены основные особенности работы таких эле
ментов в фотопреобразовательных регенеративных, сверхрегенератив
ных, гетеродинных, супергетеродинных, асинхронных фотоприемниках
8 в режимах с внешним гетеродином и автодинном, проведен анализ их работы и выполнена оптимизация основных параметров.
5. Впервые, с единых позиций проведены исследования шумовых
свойств динамической фотопроводимости и фотоприемных устройств на
ряде полупроводниковых и фотоприборов (ФД, ДБШ, ЛФД, p-i-n-
диодах, ФР, ПТ, БТ, нелинейной емкости ФД) в режимах преобразова
ния частоты (гетеродинирование и сверхрегенерация), синхронного и
асинхронного детектирования.
-
Обоснована возможность реализации фотопреобразования на нелинейной емкости модулированного светового сигнала и выполнен анализ ее работы в режиме с повышением и понижением частоты модулирующей поднесущей.
-
Впервые исследованы свойства параметрических усилителей модулирующей поднесущей света и проведена оценка влияния зеркального канала на шумовые свойства фотоприемных элементов на ряде полупроводниковых структур и фотоприборов.
-
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложен ряд схем построения избирательных фотопри-імников, регенеративных-параметрических преобразователей-усилителей, нетрадиционных применений эффектов оптико-полевого воздействия для измерителей частоты, медицинских приборов и различных устройств управления.
Научная и практическая значимость работы состоит в суще-
вднном расширении представлений о физических явлениях, наблю-
цихся при оптико-полевом воздействии на полупроводниковые
ктуры; в использовании явлений нелинейного взаимодействия для
дния принципиально новых фотоэлементов и устройств фотоприема;
сзработке методов построения избирательных устройств приема оп-
веских сигналов, позволяющих реализовать многоканальные и теле-
;ммуникационные системы оптической связи; в разработке методов
^ализа основных параметров и шумовых свойств таких структур.
Достоверность результатов. Достоверность результатов, полу-лиых в работе, обоснована теоретическими исследованиями, из кото-Li в частном случае следуют известные положения теории фотопрово-мостн, анализом полученных решений, а также моделированием и ;периментальным исследованием лабораторных макетов и реальных .разцов, выпускаемых промышленностью.
9 Учитывая, что разработанные теоретические модели взаимодействия позволяют создавать принципиально новые элементы и устройства фотоприема на уровне изобретений, достоверность результатов косвенным путем подтверждается наличием публикаций и патентов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методы квазилинейного анализа процессов взаимодействия модулированного света, постоянного и переменного электрических полей в объеме полупроводниковых структур и ряде фотоприборов, позволяющие учитывать преобразование модулирующей поднесущей светового сигнала.
-
Обобщенная локальная полевая модель процессов нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля в полупроводниковых структурах и материалах при различных законах рекомбинации генерированных светом носителей, приводящего к сложному характеру зависимости составляющих комплексной динамической фотопроводимости фотоэлементов, определяемой как параметрами материала, электрического поля, светового сигнала, так и внешней схемы.
-
Параметры рекомбинации носителей как в приближении зависимости поперечного сечения рекомбинации от скорости носителей, так и в приближении этой зависимости от средней энергии для ряда полупроводниковых приборов и фотоэлементов.
-
Основные закономерности протекания процессов нелинейного взаимодействия модулированного света с полем в полупроводниковых структурах, включая ряд фотоприборов, биполярные и полевые фототранзисторы.
5. Методы избирательного приема модулированных сигналов в
оптическом диапазоне частот на полупроводниковых структурах, ряде
известных полупроводниковых активных, пассивных и фотоприборов и
определение основных особенностей работы таких приборов в фотопре
образовательных, регенеративных, сверхрегенеративных, гетеродинных,
супергетеродинных, автодинных синхронных и асинхронных режимах
приема модулированных оптических сигналов.
7. Шумовые свойства избирательных фотоэлементов и устройств на ряде полупроводниковых структур и фотоприборов в режиме преобразования частоты, синхронного и асинхронного детектирования и про-
10 іниє анализа их работы с оптимизацией основных технических ха-геристик.
-
Реализация фотопреобразования на нелинейной емкости модулированного светового сигнала с анализом работы в случае режима с ювышением и понижением частоты модулирующей поднесущеи.
-
Использование эффектов нелинейного взаимодействия модулированного света и переменного электрического поля, для реализации
.араметрических усилителей модулирующей поднесущеи света и оценка :лк шумовых параметров.
10. Обоснование влияния зеркального канала на шумовые свой-
гва фотоприемников модулирующей поднесущеи.
11. Новое применение фотоэлементов и устройств, способных
этать в оптических многоканальных и телекоммуникационных сис-
:х связи и ряд систем и элементов нетрадиционного применения,
множенных на основе исследований процессов оптико-полевого
.модействия, защищенных патентами и опубликованных в техниче-Ji литературе.
Практическая значимость работы определяется новым подходом к решению задачи анализа сложного оптико-полевого воздействия для широкого класса полупроводниковых структур и элементов и состоит в разработке методов анализа и принципов построения избиратель-, х фотоэлементов и устройств фотоприема. Предложенные методы лиза позволили выявить ряд эффектов нелинейного взаимодействия «ированного света и переменного электрического поля, использова-которых существенно расширяет функциональные возможности фо-„лементов.
Разработаны новые типы полупроводниковых избирательных
отоприемных элементов и устройств, систем измерения частоты, тем-
иатуры, управления и др., обладающие улучшенными характеристи-
:,ли по сравнению с известными устройствами и проведен анализ их
параметров, что имеет важное прикладное значение.
Базовые теоретические положения работы явились основой курсов специальной подготовки студентов и магистров. В учебный процесс внедрены также лабораторные образцы ряда фотоэлементов и устройств і^ирательного приема оптических сигналов.
Апробация работы. Основные результаты по теме работы док-«дывались и обсуждались на: LIV-Научной Сессии, НТОРЭС им. А.С.
Попова, 19-20 мая 1999г., Москва; на Международной научно-технической конференции «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ» 13-19 сент.1999 г., Самара; на Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации» 20-21 апреля 1999 г., Москва; на Международных научно-технических конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо) в 1997-1998 гг., Севастополь, Крым, Украина; на Международной научно-технической конференции «Проблемы теории и практики построения радиотехнических систем и перспективные методы приема и обработки измерительной информации» 10-11 декабря 1998, Ростов-на-Дону; на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», 1994-1999 г.г., г. Таганрог (Дивноморское); на Всероссийской Международной научно-технической конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» 4-8 сентября 1997г., Саратов; на Всероссийской научно-технической конференции "Микроволновая технология в народном хозяйстве", 1995г., Казань; на Научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии и связь в современном обществе», 1995г., г. Таганрог; Internahional Simposium "Physic and Engineering of Millimetter and submillimeter waves", 7-10 June 1994 y., Kharkov; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, 1994г., г.Таганрог; на ежегодных научно-технических конференциях ТРТУ в 1976-1999гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 71 научная работа (23 без соавторов), в том числе монография. Кроме того автор принимал участие в выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, руководит работой по программе «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» код 001, раздел «Электроника» код 15 по теме «Исследование физических процессов взаимодействия переменных световых и электрических сигналов в неоднородных полупроводниковых материалах с целью создания избирательных фотоприемных элементов».
Личный вклад автора. Частично работы выполнены на паритетной основе с Малышевым В.А., Супруновой Е.Ф., Даниловым А.Н., Кротовым В.И. и др. В основном же, все исследования, представленные в работе, выполнены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка цитируемой литературы и
