ОПТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЧ ИМПУЛЬСОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области СВЧ техники, конкретно к твердотельным оптическим источникам формирования СВЧ колебаний фототока и может быть использовано в аппаратуре систем обработки информации различного назначения для оптической генерации и управления пространственно-временными характеристиками СВЧ сигнала.
п
Известен ряд устройств, используемых для генерации электрических СВЧ импульсов. К числу таких устройств наряду с туннельными диодами, СВЧ транзисторами и лавинно-пролетными диодами относятся диоды Ганна (генераторы Ганна), которые представляют собой однородные полупроводниковые структуры с омическими контактами, создаваемые на основе различных по своим электрофизическим характеристикам полупроводниковых кристаллов или эпитаксиальных пленок. Для управления параметрами генерируемых диодами Ганна СВЧ колебаний (частотой, амплитудой, величиной порогового напряжения генерации (поля генерации Е(х)), коэффициентом полезного действия, формой и т.д.) используются различные режимы работы диодов, а также схемы их включения во внешнюю цепь. Кроме того, в ряде случаев для управления параметрами генерируемых колебаний помимо электрического сигнала используется дополнительно воздействие на диод таких факторов, как магнитное и СВЧ поле, подсветка, температура и т.д., что оказывает влияние на спектральный состав и параметры генерируемых колебаний или может приводить к изменению условий возбуждения генерации [см.: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: Сов. Радио, 1975. - 288 с.].
D
14
15
-3
Одним из устройств, в котором подсветка позволяет управлять условиями возбуждения и параметрами генерируемых колебаний, является диод Ганна [см.: Adams R.F., Schulte H.J. Optically triggered domain in GaAs Gunn diodes. - Appl. Phys. Lett., 15(8), p.265-267, 1969]. Активный элемент такого диода представляет собой планарную структуру, включающую выращенный на подложке GaAs:Cr эпитаксиальный слой n-GaAs с неоднородно распределенной по площади этого слоя концентрацией легирующей примеси N, изменяющейся в диапазоне от 2,35×10 до 2,35×10 см, и омические контакты, выполненные на противоположных гранях эпитаксиального слоя на расстоянии
имп.
L=100 мкм друг от друга. Кроме того, данное устройство включает импульсный источник напряжения и источник световых импульсов (λ=0,63 мкм, Р=1,5 мВт), оптически связанный со слоем n-GaAs, причем импульсы напряжения и оптического излучения, подаваемые на активный элемент, синхронизированы между собой.
п
п
п
Оптическое управление величиной порогового поля генерации Е(х) и частотой генерации в устройстве - аналоге основано на изменении подсветкой величины напряженности внутреннего электрического поля Е(х) в диодной структуре. В отсутствии внешнего освещения приложение к диоду импульсного напряжения приводит на время действия импульса напряжения к возникновению внутри n-GaAs слоя однородно распределенного внутреннего электрического поля Е(х), величина которого чуть ниже порогового поля генерации Е(х) в области зарождения домена. В этих условиях освещение n-GaAs слоя в области анода и большей части его активной области, за исключением области, смежной с катодом, импульсом света, синхронизированным по времени с импульсом прикладываемого напряжения, приводит к незначительному перераспределению напряженности электрического поля внутри диода, его возрастанию у катода до величины Е(х), что ведет к возбуждению одиночного домена в диодной структуре.
К числу основных недостатков такого устройства следует отнести невозможность возбуждения колебаний тока только за счет воздействующего освещения, а также невозможность оптического управления параметрами генерируемых колебаний.
+
+
7
8
-3
17
18
-3
+
+
0
A
A
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, прототипом, является устройство [см.: Гонтарь В.М., Егиазарян Г.А., Рубин B.C., Мурыгин В.И., Стафеев В.И. Отрицательная дифференциальная проводимость в высокоомном арсениде галлия при освещении. - ФТП, т.5, в.6, с.1061-1066, 1971], содержащее диодную структуру, выполненную в виде многослойной n-ν-n структуры, включающей высокоомный ν-слой, созданный на основе объемного компенсированного монокристалла n-GaAs с концентрацией свободных носителей n=10-10 см и примесных уровней N(N≈10÷10 см), электрические контакты, выполненные на внешней поверхности двух противоположных граней ν-слоя в виде n-слоя. Кроме того, устройство также включает источник импульсного смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры и монохроматический источник управляющего света, оптически связанный с одной из граней структуры, содержащей n-слой, а генерация колебаний происходит при температуре Т=203°К.
+
+
3
+
+
4
5
имн. осв.
A
Действие устройства - прототипа основано на образовании под действием импульсного напряжения и освещения рекомбинационной (концентрационной) нелинейности в n-ν-n диодной структуре. К электродам диодной структуры прикладывается напряжение смещения, обеспечивающее напряженность внутреннего поля Е(х) от 1 до 5 кВ/см в ν-слое. Освещение поверхности одной из ее граней белым светом интенсивностью I от 1 до 4×10 лк (Р~6 мВт) приводит в ее приконтактной области к генерации неравновесных фотоносителей. Т.к. полупроводниковая компонента n-ν-n структуры содержит большую концентрацию примесных уровней N, то при больших напряженностях внутреннего электрического поля Е(х) и воздействии внешнего освещения в ней реализуется ситуация, при которой в ν-слое диодной структуры возникает сдвиг равновесия в сторону сильного преобладания процессов рекомбинации и захвата неравновесных носителей над процессами их термической и оптической генерации (в компенсированном полупроводнике это происходит за счет увеличения сечения захвата и/или изменения коэффициента захвата с ростом напряженности электрического поля и т.д.). В результате с ростом внутреннего поля dE(x), вследствие интенсивного захвата носителей на глубокие примесные уровни ν-слоя, изменение концентрации носителей тока dn в зоне проводимости диодной структуры происходит значительно быстрее, чем изменение их подвижности dμ, с ростом поля, т.е. dn/dE(x)»dμdE(x), что ведет к существенному изменению в соотношении между концентрациями носителей. Концентрация свободных носителей, определяющих проводимость диодной структуры, резко падает, а концентрация носителей, захватываемых на примесные уровни, растет. Соответственно, это ведет к уменьшению проводимости диодной структуры и, как следствие, к возникновению в ней отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) dn/dE(x)<0, при возникновении которой на вольт-амперной характеристике (ВАХ) диодной структуры появляется резко падающий участок. С ростом поля уменьшение проводимости в диодной структуре происходит до тех пор, пока в ее полупроводниковой компоненте не произойдет восстановление кинетики генерационно-рекомбинационных процессов, вызывающей сдвиг в сторону преобладания процессов генерации над рекомбинацией (и/или захватом). Такого рода «обратный» сдвиг, сопровождающийся возрастанием проводимости в компенсированном полупроводнике, наступает вследствие полного заполнения примесных уровней, либо при достижении величиной внутреннего поля Е(х) значения, сравнимого с величиной поля примесного уровня Е* (для GaAs Е*~10÷10 В/см). В первом случае это происходит вследствие уменьшения интенсивности
4
захвата, происходящего по мере заполнения глубоких примесных уровней, во втором - при резком возрастании процессов автоионизации носителей с глубоких примесных уровней (обратного выброса). Как в первом, так и во втором случае (при освещении в компенсированном полупроводнике оба механизма реализуются вместе), в диодной структуре происходит рост проводимости до тех пор, пока дифференциальная подвижность электронов вновь не станет положительной dn/dE>0 (этому случаю на ВАХ диодной структуры соответствует возрастающий участок и участок насыщения), после чего в диодной структуре происходит образование рекомбинационного домена, периодическое образование которого приводит к появлению собственной низкочастотной генерации токовых колебаний в цепи, содержащей диодную структуру. В то же время большие интенсивности подсветки (I~10 лк) в условиях больших внутренних полей Е(х) могут приводить в ганновских диодах, создаваемых на основе компенсированных полупроводников, к появлению субгармоник в выходном спектре генерируемых колебаний. В условиях сильной подсветки их появление связано с образованием в зоне проводимости ν-слоя избыточного фотогенерированного заряда неравновесных носителей, который уже не может быть захвачен на заполненные примесные уровни. Появление такого заряда в зоне проводимости и вызывает возникновение совместной генерации двух видов колебаний: устойчивых собственных низкочастотных колебаний и неустойчивых более высокочастотных.
3
4
-2
При этом как в условиях освещения, так и без освещения, частота генерируемых рекомбинационных доменов невысока f~10÷10 Гц, поскольку она определяется не только низкой скоростью носителей υ~2,5×10 см/с, но и скоростью протекания сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их выбросом в зону проводимости.
7
Таким образом, устройство - прототип обеспечивает при освещении в условиях низких температур (Т=203°К) только собственную низкочастотную генерацию электрических импульсов и при больших интенсивностях подсветки и внутренних полях неустойчивую более высокочастотную генерацию (f≤10 Гц в виде субгармоники). Кроме того, частота собственной генерации в пролетном режиме в устройстве - прототипе меняется на 1-2 октавы при изменении интенсивности подсветки или изменении величины напряжения прикладываемого к структуре.
В настоящее время отсутствуют оптические устройства генерации СВЧ импульсов фототока, обеспечивающие генерацию СВЧ импульсов при комнатных температуpax
только за счет воздействующего освещения, а также позволяющие оптически и электрически управлять параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации и величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации).
Полезная модель направлена на решение задачи создания оптического СВЧ генератора импульсов, позволяющего осуществлять генерацию СВЧ импульсов только за счет воздействующего освещения, осуществлять оптическое и электрическое управление параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации, а также повысить частоту оптически генерируемых колебаний.
0
12
-2
Для решения поставленной задачи в оптическом генераторе, содержащем диодную структуру, включающую ν-слой и электроды, выполненные на противоположных гранях ν-слоя, а также источник смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры, и источник управляющего света, оптически связанный с одной из ее граней, согласно полезной модели, упомянутая структура дополнительно содержит два наноразмерных монослоя диэлектрика, расположенных симметрично относительно ν-слоя между электродами, выполненными в виде оптически прозрачных электродов, на поверхности которых выполнено просветляющее покрытие, и содержит относительно ν-слоя два диэлектрических охранных кольца, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика, оптически прозрачный электрод и просветляющее покрытие, а источник управляющего света оптически связан с одним из просветляющих покрытий, при этом ν-слой выполнен на основе высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью, для которого произведение равновесной концентрации носителей на длину образца удовлетворяет условию: nL<10 см.
Для решения задачи повышения частоты генерируемых колебаний оптический генератор дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему, источник управляющего света, ось излучения которого перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия.
Сущность предлагаемого технического решения основана на обнаруженной автором токовой неустойчивости нового вида - объемной фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Экспериментальные исследования фотоэлектрических свойств однородных структур с неинжектирующими контактами, создаваемыми на основе прямозонных высокоомных полупроводников с собственной или близкой к собственной
0
g
g
проводимостью, показало, что при любой полярности приложенного напряжения V и освещении их собственным светом с энергией квантов hν≥E, где hν - энергия кванта, E - ширина запрещенной зоны полупроводника, протекание монополярного фототока, ограниченного пространственным зарядом (ФТОПЗ), приводит к пространственной перестройке электрического поля в объеме такой структуры. В результате на время действия освещения в объеме ее полупроводниковой компоненты у неосвещаемого электрода образуется статическая область «сильного электрического поля», что приводит к изменению исходного распределения электрического поля, величина и конечный профиль которого определяются мощностью освещающего импульса и величиной напряжения, прикладываемого к структуре. При этом величина и неоднородный профиль распределения электрического поля  в структуре не меняется при сохранении мощности (интенсивности) воздействующего освещения и величины приложенного напряжения. После прекращения освещения неоднородное электрическое поле  в структуре самопроизвольно возвращается к своему исходному темновому однородному состоянию за время отекания накопленного заряда свободных фотоносителей.
В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что при напряжениях смещения, обеспечивающих величину неоднородного поля в одной из частей структуры , протекание ФТОПЗ приводит к образованию в структуре ОДП и, как следствие, к возникновению фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида на время протекания фототока в структуре. При этом в отсутствии внешнего освещения возникновение генерации в такой структуре не происходит ни при каких значениях приложенного напряжения, вплоть до электрического пробоя структуры. Кроме того, экспериментально было установлено, что такие характеристики возбуждаемых освещением колебаний как частота, период, амплитуда, форма и т.д., а также режимы генерации существенно отличаются как от колебаний, возбуждаемых в диодах Ганна в условиях внешней подсветки, так и от токовых колебаний, возбуждаемых в классических диодах Ганна электрическим или СВЧ полем.
Анализ результатов экспериментальных исследований с позиций нелинейной динамики показывает, что пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля лежит в основе как образования ОДП под действием освещения, так и возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Аналитически пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля описывается как стационарный линейный или квазилинейный отклик, возникающий в туннельной
МДП системе на время действия освещения, который приводит к изменению величины у нескольких макро- и микропараметров, характеризующих туннельную МДП систему. Однако такой вид отклика не вызывает в ней необратимых изменений, связанных как с состоянием равновесия в системе в целом, так и с состоянием электрического поля, т.к. на время действия освещения туннельная МДП система самосогласованным образом способна сколь угодно долго устойчиво поддерживать свое новое квазиравновесное состояние [см.: Перепелицын Ю.Н. Методы оптической модуляции световых потоков на основе пространственной фотостимулированной перестройки электрического поля. - В сб.: Направления развития лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине. /Труды НМТК/, Воронеж, 1995, с.1-14].
В то же время генерацию СВЧ колебаний фототока в высокоомной туннельной МДП системе следует рассматривать как новый нелинейный вид фотоэлектрического отклика, который спонтанно возникает в ней на время действия освещения после того, как вследствие оптического или/и электрического воздействия у одной или нескольких величин, характеризующих равновесное состояние макроскопически однородной туннельной МДП системы, происходит значительное превышение определенных значений, при которых туннельная МДП система уже не способна самосогласованным образом устойчиво поддерживать свое прежнее равновесное либо квазиравновесное состояние. В результате состояние квазиравновесия в объеме макроскопически однородной туннельной МДП системы становится неустойчивым и в ней происходит спонтанный переход к другому, резко неоднородному состоянию. Такой переход сопровождается качественным изменением нескольких из ее макро- и микропараметров. Прежде всего, изменение происходит у одного из ее основных внутренних макропараметров - распределения электрического поля, причем его изменение происходит скачкообразно: от исходно неоднородно распределенного в объеме всей диодной структуры, к другому резко неоднородному, пространственно узко локализованному в одной из ее частей (в виде домена сильного электрического поля). При этом помимо изменения профиля распределения поля скачкообразный переход сопровождается также и другим качественным изменением. Если ранее, при формировании линейного или квазилинейного отклика в условиях неизменных освещения и напряжения смещения в туннельной МДП системе происходило образование неоднородного, но стационарного профиля распределения поля , то при нелинейном отклике в тех же условиях в ней происходит спонтанное периодическое формирование динамического отклика, который в виде фотоэлектрического
домена (или нескольких сразу) периодически перемещается от одного контакта к другому.
1
0
A
D
0
0
1
0
0
0
1
п
п
п
1
ф
n
р
12
-2
К числу основных внешних макропараметров, которыми может быть охарактеризовано состояние диодной системы, относятся: L - расстояние между контактами, I - интенсивность (мощность Р) воздействующего освещения, ρ - удельное сопротивление полупроводника, V - величина приложенного напряжения, N, N - концентрация акцепторных и донорных уровней, n - равновесная концентрация, Т - температура и др. К числу внутренних макро- и микропараметров относятся: Е(х)=V/L - величина внутреннего поля, Р - пороговая мощность (или интенсивность I) управляющего оптического сигнала, обеспечивающая оптическую инжекцию монополярного заряда свободных фотоносителей, при которой в диодной структуре выполняется критерий Кремера: nL≥10 см и, соответственно, происходит возникновение генерации, V(x) - пороговое напряжение генерации, Е(х)=V(x)/L - пороговое поле генерации,  - неоднородное электрическое поле,  - подвижность носителей в неоднородном поле вне домена, J - плотность фототока,  - дрейфовая скорость основных носителей в неоднородно поле ,  - подвижность основных носителей в неоднородно поле , τ, τ - время жизни основных и неосновных носителей, d - толщина наноразмерного монослоя диэлектрика, γ - коэффициент прозрачности туннельного барьера и др.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что внешние и внутренние макро- и микропараметры, а также соотношения между ними оказывают сложное и взаимосвязанное влияние не только на условия возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости, но и на конечные характеристики СВЧ колебаний фототока (амплитуду, форму домена, частоту, период, когерентность и т.д.). Однако, несмотря на это, можно выделить ряд соотношений между основными макро- и микропараметрами, при которых устойчиво проявляется нелинейный фотоэлектрический отклик определенного вида (режимы генерации), т.е. происходит генерация доменов, имеющих определенные пространственно-временные, мощностные и частотные характеристики, что и обеспечивает достижение положительного эффекта.
Одним из существенных признаков заявляемого устройства, обеспечивающих достижение положительного эффекта, является выполнение ν-слоя структуры на основе высокоомного прямозонного полупроводника с собственной или близкой к собственной проводимостью. Необходимость использования в полупроводниковой компоненте
диодной структуры такого полупроводника существенно важно по нескольким причинам.
ф
ф
п
тем
ф
п
тем
0
-9
-7
Во-первых, для реализации полезной модели необходимо, чтобы при освещении управляющим светом и при любой полярности приложенного напряжения проводимость диодной структуры полностью определялась только ее фототоковой составляющей σ, где σ - проводимость диодной структуры при освещении. Обеспечить это условие возможно выполнением ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника и создании в диодной структуре неинжектирующих контактов, позволяющих исключить электрическую инжекцию носителей с электродов диодной структуры в объем полупроводника при приложенном напряжении смещения V и в отсутствии освещения. Для высокоомных полупроводников электрически неинжектирующие контакты реализуются лишь на основе металлических слоев Аu или Pt. Такие слои являются оптически прозрачными для спектрального диапазона управляемого света и одновременно с этим обеспечивают максимально высокое соотношение работы выхода металл - полупроводник, что, соответственно, позволяет обеспечить минимальную величину надбарьерной эмиссии даже при высоких приложенных напряжениях и практически полностью исключить электрическую инжекцию носителей в объем полупроводника. Кроме того, наличие неинжектирующих контактов является необходимым, но не достаточным условием для того, чтобы ток в диодной структуре определялся только фототоковой составляющей σф. Добиться этого возможно лишь единственным способом - при выполнении ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника. Это связано с тем, что только в таком полупроводнике в условиях внешнего приложенного напряжения воздействие освещения приводит к образованию монополярного пространственного заряда свободных носителей, который в объеме полупроводника не может быть скомпенсирован зарядом другого знака в процессе его дрейфового переноса от места генерации к неосвещаемому электроду, т.к. компенсирующий заряд поступить из внешней цепи не может, а в объеме полупроводниковой компоненты он практически отсутствует. В совокупности это приводит к тому, что в диапазоне внутренних полей Е(х)(0,1≤Е(х)≤3) темновая проводимость в диодной структуре σ пренебрежимо мала, а при освещении ее проводимость полностью определяется ее фототоковой составляющей σ. (Как показывают оценки, при изменении напряженности темнового электрического поля Е(х)~0,1≤Е(х)≤3 величина темнового тока i изменяется в диапазоне от 10 до 10 А. При мощности импульсного освещения Р~10-20 мВт,
ф
ф
тем.
-3
-2
3
4
средняя величина тока в структуре составляет i~10÷10 А, т.е. при освещении среднее изменение проводимости <σ/σ>в диодной структуре происходит от 10 до 10 раз).
0
0
0
0
1
п
ф
12
-2
7
-3
12
-2
Во-вторых, генерация СВЧ колебаний под действием электрического поля может возникать лишь в диодных структурах, для которых выполняется критерий Кремера - nL≥10 см, где n - равновесная концентрация, L - длина образца. Использование в полупроводниковой компоненте собственного прямозонного полупроводника, имеющего малую равновесную концентрацию носителей n<10 см, приводит к тому, что критерий Кремера в таких структурах исходно не выполняется (nL«10 см), поскольку при темновом поле Е(х)≥Е(х) и выше равновесной концентрации носителей, содержащихся в ν-слое структуры, не достаточно для возникновения домена. Поэтому в такой структуре дрейфовая доменная неустойчивость только под действием электрического поля не может возникнуть ни при каких значениях внешнего приложенного напряжения. В то же время воздействие освещения приводит к появлению в диодной структуре фототока i, заряд которого обеспечивает выполнение критерия Кремера и, соответственно, возникновение СВЧ генерации только при воздействии освещения.
+
+
В-третьих, выполнение в диодной структуре ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника, исходно содержащего не только малую концентрацию равновесных носителей по, но в котором также отсутствуют глубокие и мелкие примесные уровни, позволяет при освещении и при любых внутренних полях Е(х) исключить в ней протекание обменных процессов и, тем самым, изменить механизм образования доменной неустойчивости. Т.е. перейти от механизма рекомбинационной нелинейности, лежащей в основе образования ОДП в многослойной n-ν-n диодной структуре, к дрейфовой, при которой возникновение ОДП и, соответственно, формирование домена происходит только за счет изменения подвижности свободных фотоносителей (dμ/dE) с ростом неоднородного поля , а не за счет изменения их концентрации с ростом поля (dμ/dE), как это имеет место в прототипе, вследствие протекания в высокоомном ν-слое компенсированного полупроводника сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их обратным выбросом в зону проводимости.
Вместе с тем для достижения поставленной задачи в полезной модели недостаточно только изменить механизм формирования доменной неустойчивости в диодной структуре и обеспечить при освещении в ней фототоковую проводимость.
Для реализации различных режимов генерации, оптического и электрического управления параметрами генерируемых колебаний, а также для повышения частоты оптически генерируемых колебаний необходимо также обеспечить в диодной структуре:
- протекание сквозного фототока;
- пространственную перестройку электрического поля в режиме протекания сквозного фототока (как в случае генерации колебаний фототока, так и в их отсутствии), причем по окончании освещения релаксация импульса фототока должна происходить самопроизвольно и за минимальное время;
- взаимно однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими характеристиками импульса фототока, возникающего при воздействии управляющего оптического импульса.
Обеспечить выполнение указанных выше условий одновременно возможно только при выполнении между ν-слоем и металлическими электродом наноразмерного монослоя диэлектрика, причем положительный эффект будет достигаться в том случае, если наноразмерный монослой диэлектрика будет выполнен на каждой из двух противоположных граней прямозонного собственного полупроводника, и при этом наноразмерные монослои диэлектрика будут идентичны по своим электрофизическим характеристикам. Как показали экспериментальные исследования, введение в конструкцию диодной структуры симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика необходимо по ряду причин.
s
тем.
Во-первых, наличие в диодной структуре симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика приводит к тому, что при любой полярности приложенного напряжения в каждой из приповерхностных областей полупроводниковой компоненты образуется равенство между потоком неосновных носителей, поступающих из объема полупроводника, которые формируют инверсионный слой, и протекающим через диэлектрический слой потоком носителей, отток которых разрушает инверсионный слой (ток утечки через диэлектрик), т.е. их наличие приводит к установлению в диодной структуре режима протекания сквозного тока. При этом изучение особенностей протекания сквозного тока в таких структурах показало, что его величина зависит от величины поверхностного потенциала φ и в отсутствии освещения сквозной темновой ток i пропорционален темпу тепловой генерации носителей.
тем.
0
0б
1
d
0
s
0
п
-φs
Как следствие, это приводит к тому, что в отсутствии освещения в диодной структуре, содержащей наноразмерные монослои диэлектрика, обладающие высокой туннельной прозрачностью, уже при малых напряжениях смещения  величина темнового тока i перестает ограничиваться наноразмерным монослоем диэлектрика и зависит лишь от скорости межзонной генерации электронно-дырочных пар, которая определяет темп подтока неосновных носителей обоих знаков из объема полупроводника к соответствующим границам раздела. В этих условиях совместное действие двух факторов - малой равновесной концентрации носителей n и полного оттока термически генерируемых носителей заряда обоих знаков во внешнюю цепь из объема
собственного полупроводника - приводят к тому, что уже при напряжении смещения  обедненная область распространяется на всю толщину ν-слоя (L>L), вследствие чего практически все приложенное напряжение равномерно распределяется на полупроводниковой компоненте структуры, а на нанодиэлектрических слоях падает лишь его малая часть. (Как показывают оценки, в GaAs структуре величина напряжения V, падающего на наноразмерном монослое диэлектрика толщиной <d> от 5 до 40 нм составляет 0,01-0,03 V). Дальнейшее увеличение напряжения , прикладываемого к диодной структуре, вызывает только рост поверхностного потенциала φ поскольку при этом случае уровень Ферми в металле и край зоны проводимости полупроводника смещаются одновременно. Поэтому при напряжениях смещения V~V (x) и выше токи надбарьерной эмиссии (т.е. токи основных носителей, поступающих с обоих электрических контактов в объем полупроводника) остаются пренебрежимо малыми, т.к. их величина пропорциональна е и, соответственно, они не могут обеспечить рост концентрации носителей в объеме ν-слоя до величины, при которой согласно критерию Кремера в диодной структуре может возникнуть электрическая генерация СВЧ колебаний тока без освещения.
п
ф
тем.
Во-вторых, отток носителей из объема полупроводника во внешнюю цепь в отсутствии освещения обеспечивает при пороговых напряжениях смещения V(x) в диодной структуре минимальную величину темнового тока. При освещении ее управляющим светом это дает возможность получить максимально большое соотношение σ/σ и тем самым достигнуть в ней не только высокой фоточувствительности, но и расширить область спектральной чувствительности управляющего света.
В-третьих, исследования особенностей протекания фототока в GaAs диодных структурах, создаваемых на основе собственного полупроводника, показало, что при освещении и любой полярности приложенного напряжения наличие нанодиэлектрических монослоев приводит к тому, что величина сквозного фототока в них определяется балансом, который устанавливается в каждой из ее приповерхностных областей между фотоносителями, подтекающими из объема полупроводника к соответствующему нанодиэлектрическому слою, и фотоносителями, протекающим через наноразмерный монослой диэлектрика. Скорость установления баланса и величина фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, определяются двумя величинами: интенсивностью воздействующего освещения и прозрачностью туннельного барьера. Первая из них, интенсивность воздействующего освещения, определяющая концентрацию неосновных фотоносителей, подтекающих из объема полупроводника к соответствующим электродам диодной структуры, прямо пропорциональна интенсивности воздействующего освещения. Вторая, определяющая скорость установления режима протекания сквозного фототока и величину фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, зависит от вероятности туннелирования носителей через потенциальный барьер, определяется структурным совершенством слоя, наличием в нем глубоких и мелких примесей, а также концентрацией и скоростью свободных фотоносителей, величиной напряженности электрического поля на границе слоя и другими факторами. Соответственно, это приводит к тому, что достижение поставленной задачи у полезной модели обеспечивается лишь при определенных электрофизических характеристиках нанодиэлектрических монослоев. Экспериментально было установлено, что такие слои должны представлять собой однородные монослои нанодиэлектрика, которые должны иметь одинаковую толщину <d> от 5 до 40 нм на всей площади грани, обладать низкой плотностью структурных дефектов и содержать в запрещенной зоне материала монослоя минимальную концентрацию глубоких ловушек захвата и при этом обладать высокой адгезией к поверхности ν-слоя и устойчивостью к пробою. Исследование особенностей протекания фототока в диодных структурах, содержащих наноразмерные монослои диэлектрика с отмеченными выше характеристиками, показало, что такие слои обладают высокой, но конечной туннельной прозрачностью, причем прозрачность туннельного слоя, определяющего величину сквозного фототока, линейно и обратимо меняется в широких приделах при изменении интенсивности воздействующего освещения
и/или напряжения смещения. Как следствие эти особенности протекания сквозного фототока приводят к следующему:
- при воздействии освещения в режиме протекания сквозного фототока за счет частичного накопления заряда свободных фотоносителей у неосвещаемого электрода диодной структуры происходит пространственная перестройка электрического поля, причем для каждой величины смещающего напряжения и/или интенсивности воздействующего освещения на границе раздела неосвещаемой грани динамически устанавливаются свои величины сквозного фототока и напряженности электрического поля;
- при воздействии освещения реализуется однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими им характеристиками импульса фототока;
- при генерации импульсов фототока и после окончания освещения в диодной структуре обеспечивается минимальное время самопроизвольного отекания наколенного заряда и минимальное время ухода домена во внешнюю цепь, поскольку из-за высокой скорости фотоносителей их перенос через слой происходит без захвата на примесные уровни наноразмерного монослоя диэлектрика.
0
п
0
0
1
I
II
0
ф
12
-2
В результате в условиях постоянно приложенного напряжения V~V(x) воздействие светового сигнала, мощность Р которого обеспечивает оптическую инжекция монополярного заряда, при которой выполняется критерий Кремера nL≥10 см (пороговая мощность), в объеме ν-слоя диодной структуре приводит к образованию неоднородного электрического поля . Достижение им значения  в любой области ν-слоя диодной структуры приводит к возникновению в этой области ОДП (из-за «разогрева» части свободных фотоносителей в сильном поле и их переброса из нижней подзоны n в верхнюю n) и, как следствие, к образованию дипольного слоя обедненного свободными фотоносителями. Возникновение дипольного слоя, обладающего повышенным сопротивлением, вызывает быстрое перераспределение напряжения в ν-слое структуры: величина напряжения, падающего на дипольном слое, быстро растет, а в остальной области ν-слоя уменьшается. Такое динамическое перераспределение напряжения V сопровождается уменьшением плотности фототока, протекающего в структуре J, и нарастанием электрического поля в дипольном слое, которое происходит до тех пор, пока не достигнет значения, при котором дифференциальная подвижность электронов в диодной структуре вновь становится положительной dn/dE>0. После этого скорости электронов вне домена и в дипольном слое сравниваются. Накопление заряда
в дипольном слое прекращается и сформировавшийся дипольный слой заряда в виде узко локализованной области сильного электрического поля (электрического домена) дрейфует в неоднородном поле  со скоростью, приблизительно равной скорости носителей вне домена, от места его образования в ν-слое к анодному контакту. Достигнув анода, домен уходит во внешнюю цепь, что сопровождается появлением в цепи, содержащей образец, колебания фототока. При этом его уход во внешнюю цепь приводит к быстрому восстановлению величины неоднородного распределения электрического поля  и плотности фототока, существовавшими в структуре до образования домена, и процесс его спонтанного формирования повторяется вновь.
п
0
1
0
0
В пролетном режиме генерации частота генерируемых колебаний f, возникающих при пороговых значениях величины приложенного напряжения V(x) и мощности импульсного освещения Р, зависит только от длины образца L и определяется выражением: f=1/T, где Т - период колебания. Соответственно, период генерируемых колебаний фототока, возникающих при изменении V и/или Р, определяется соотношением:
ф
а распределение неоднородного электрического поля  и плотность монополярного фототока J в диодной структуре определяются выражениями (2) и (3) соответственно:
и
1
dom.
ν
dom.
где: L - расстояние между контактами, l - ширина домена,  - подвижность носителей в неоднородном поле,  - подвижность носителей в неоднородном поле вне домена,  дрейфовая скорость носителей в неоднородном поле, χ - относительная диэлектрическая проницаемость, V - напряжение, распределяющееся в области структуры вне домена, E - напряженность электрического поля в домене.
Помимо указанных выше существенных признаков, также важным признаком устройства является выполнение охранных диэлектрических колец шириной 250-300
S
0
0
2
3
4
2
3
мкм на двух противоположных освещаемых гранях диодной структуры. При этом каждое из охранных колец должно быть выполнено по периметру каждой из освещаемых граней и охватывать нанодиэлектрический слой, оптически прозрачный металлический электрод и просветляющее покрытие, выполненные на поверхности грани. Необходимость введения в конструкцию диодной структуры указанных слоев обусловлена тем, что при ряде режимов генерация колебаний фототока происходит в условиях больших внутренних электрических полей, причем при генерации дополнительно к внутреннему полю  добавляется еще поле домена. (Например, в диодной структуре на основе GaAs при формировании освещением одиночного домена с пикосекундными фронтами при средней ширине домена  мкм напряженность поля в домене может достигать  В/см, что сопоставимо с напряжением пробоя, которое для GaAs составляет  В/см). Все это приводит к тому, что при глубине полного поглощения управляющего света от 1 до 5 мкм в диодной структуре резко возрастает величина поверхностных фототоков. Соответственно, при большой плотности поверхностных состояний N, содержащихся на поверхности боковых граней после обработки монокристалла, в условиях больших интенсивностей освещения I и при высоком напряжении смещения V увеличение поверхностной составляющей фототока может приводить к закоротке электродов по поверхности любой из боковых граней структуры. Соответственно, выполнение диэлектрического охранного кольца на поверхности граней по периметру дает возможность обеспечить «электрическую развязку» между гранями диодной структуры, содержащими оптически прозрачные металлические электроды и тем самым исключить возможность электрического пробоя структуры. В качестве диэлектрических слоев, обеспечивающих диэлектрическую развязку между электродами диодной структуры, могут быть использованы диэлектрические пленки, например пленки SiO, SiN, АlО толщиной 5-10 мкм, широко используемые в микроэлектронике.
Кроме того, значительно снизить величину поверхностных фототоков при воздействии управляющего оптического сигнала позволяет выполнение просветляющего покрытия. Его нанесение поверх оптически прозрачных электродов необходимо также потому, что включение данного слоя позволяет существенно снизить интенсивность управляющего оптического сигнала, воздействующего на структуру, за счет практически полного подавления отражения света от освещаемой грани структуры. (Например, для GaAs, содержащего на полированной поверхности только оптически прозрачный
3
4
металлический электрод, потери на отражении составляют η≈40-45%). Поэтому выполнение просветляющего покрытия дает возможность не только снизить поверхностные фототоки, но и пороговую мощность управляющего оптического сигнала, при котором возникает генерация импульсов фототока. В качестве просветляющего покрытия может быть использована пленка SiN, толщина которой составляет четверть длины волны света, освещающего диодную структуру.
Таким образом, совместное действие всех указанных выше существенных признаков приводит к тому, что у новой совокупности, по сравнению с прототипом, появляется ряд новых свойств:
- образование изменяемой по величине отрицательной дифференциальной фотопровопроводимости, приводящей к формированию объемной фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида только за счет воздействующего освещения;
- формирование освещением неоднородного профиля распределения электрического поля, которое также сохраняется неоднородным в ν-области структуры вне домена при возникновении домена и его переносе через структуру;
- параметрическая зависимость величины ОДП, напряженности неоднородного электрического поля  и поля вне домена , а также характера их распределения от основных внешних и внутренних макро- и микропараметров, характеризующих диодную структуру
Для повышения частоты генерации в режиме подавления домена оптический генератор СВЧ импульсов дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему, источник управляющих оптических импульсов, ось излучения которого перпендикулярна второй грани диодной структуры, содержащей нано-размерный монослой диэлектрика и просветляющее покрытие. При этом оба источника управляющего света должны обеспечивать формирование управляющих импульсов как независимо друг от друга, так и совместно.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема оптического СВЧ генератора, генерирующего импульсы фототока при различных режимах генерации и освещении его импульсами света прямоугольной формы 16, 17, 18, а также импульсами управляющего света сложной формы (треугольной 19, пилообразной 20, синусоидальной 21, меандр 22), на фиг.2 - отдельно, приведена конструкция диодной структуры, на фиг.3 представлена фотография осциллограммы импульса
фототока, генерируемого при одновременном освещении управляющим импульсом прямоугольной формы 16 (см. фиг.1, позиция - 16, режим статического домена), на фиг.4 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при одновременном освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 16 и вторым импульсом управляющего света прямоугольной формы 17 (см. фиг.1, позиция - 16, 17, режим подавления домена), на фиг.5 представлена фотография осциллограммы одиночного импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света прямоугольной формы 16 (см. фиг.1, позиция - 16, триггерный режим), на фиг.6 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, пролетный режим генерации), на фиг.7 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света треугольной формы 19 (см. фиг.1, позиция - 19), на фиг.8 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемого при освещении импульсом света пилообразной формы 20 (см. фиг.1, позиция - 20), на фиг.9 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света синусоидальной формы 18, (см. фиг.1, позиция - 21), на фиг.10 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении периодическим импульсом света (см. фиг.1, позиция - 22, меандр), на фиг.11 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, возникающих в результате сложения двух одновременно генерируемых импульсов фототока при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, режим биения), на фиг.12 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, многодоменный режим), на фиг.13 представлен в двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики диодной структуры, содержащей участок, на котором происходит изменение частоты генерируемых колебаний: I - при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 постоянной мощности и изменении величины смещающего напряжения; II - при постоянной величине смещающего напряжения и изменении мощности прямоугольного импульса управляющего света 18 (см. фиг.1, позиция 18, режим перестройки частоты генерируемых колебаний), на фиг.14 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 при постоянном пороговом напряжении смещения
и увеличении мощности управляющего оптического импульса (см. фиг.1, позиция 18, апериодический режим генерации). На всех фотографиях приведена шкала деления временной развертки (μs/sm, ns/sm) и чувствительности (mV/sm, V/sm) осциллографа, при которых происходила регистрация формы, а также временных и энергетических характеристик генерируемых импульсов фототока.
На фиг.1:
1 - ν-слой;
2 - наноразмерный монослой диэлектрика;
3 - оптически прозрачный электрод;
4 - просветляющее покрытие;
5 - диэлектрическое охранное кольцо;
6 - электрический контакт;
7 - источник смещающего напряжения;
8 - сопротивление нагрузки;
9 - регистрирующее устройство;
10 - источник управляющего света;
11 - оптическая система;
12 - второй источник управляющего света;
13 - вторая оптическая система;
14 - ось излучения от источника управляющего света;
15 - ось излучения от второго источника управляющего света;
16 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый источником управляющего света;
17 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый вторым источником управляющего света;
18 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый источником управляющего света;
19 - оптический импульс треугольной формы, формируемый источником управляющего света;
20 - оптический импульс пилообразной формы, формируемый источником управляющего света;
21 - оптический импульс синусоидальной формы, формируемый источником управляющего света;
22 - периодический оптический импульс прямоугольный формы (меандр), формируемый источником управляющего света.
Диодная структура (см. фиг.2) включает в себя ν-слой высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью 1, два наноразмерных монослоя диэлектрика 2, аналогичных друг другу и расположенных симметрично относительно ν-слоя 1 между ν-слоем 1 и оптически прозрачными электродами 3, два оптически прозрачных электрода 3, аналогичных друг другу, каждый из которых выполнен на внешней поверхности наноразмерного монослоя диэлектрика 2, два аналогичных друг другу просветляющих покрытия 4, каждое из которых нанесено на внешнюю сторону оптически прозрачного металлического электрода 3, два аналогичные друг другу охранных кольца 5, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика 2, оптически прозрачный электрод 3 и просветляющее покрытие 4, два электрических контакта 6, аналогичных друг другу и расположенных симметрично на одной из граней ν-слоя 1, перпендикулярной грани, содержащей наноразмерный монослой диэлектрика 2, оптически прозрачный электрод 3 и просветляющее покрытие 4, каждый из которых электрически соединен с оптически прозрачными электродами 3 и источником смещающего напряжения 7, сопротивление нагрузки 8, электрически соединенное с регистрирующим устройством 9, источником смещающего напряжения 7 и одним из электрических контактов 6.
Ось излучения 14 от источника управляющего света 10 формируется оптической системой 11 и перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия 4, а ось излучения 15 от второго источника управляющего света 12 формируется оптической системой 13 и перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия 4.
п
Оптический генератор СВЧ импульсов работает следующим образом. К оптически прозрачным металлическим электродам 3 через электрические контакты 6 от источника смещающего напряжения 7 прикладывается постоянное напряжение, величина которого обеспечивает в ν-слое диодной структуры 1 однородное темновое электрическое поле, соответствующее пороговому полю генерации Е(х). Освещение структуры любым из импульсов управляющего света, пространственно-временные и энергетические характеристики которого формируются источником управляющего света 10 и оптической системой 11, приводит к генерации электронно-дырочных пар и к их разделению на границе раздела освещаемой грани ν-слоя 1 - наноразмерный монослои диэлектрика 2. При этом один тип носителей стекает во внешнюю цепь через освещаемый
п
0
электрод, а второй под действием электрического поля дрейфует к электроду, противоположному освещаемому, где происходит его частичное накопление в объеме ν-слоя на границе раздела ν-слоя 1 - наноразмерный монослои диэлектрика 2. В результате частичное накопление монополярного заряда свободных фотоносителей на границе раздела приводит на время действия освещения к пространственной перестройке электрического поля в объеме ν-слоя 1, что ведет к росту напряженности электрического поля у неосвещаемой грани диодной структуры и, соответственно, к ее уменьшению у освещаемой грани. (Например, при подаче потенциала отрицательной полярности на оптически прозрачный электрод грани, освещаемой импульсом управляющего света, увеличение напряженности электрического поля в объеме высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла происходит в ν-слое 1 на границе раздела у неосвещаемого электрода, к которому приложен потенциал положительной полярности). В свою очередь, рост напряженности электрического поля  в приконтактной области ν-слоя 1 у неосвещаемого электрода до величины, превышающей Е(х), приводит к образованию ОДП в этой области и, как следствие, к генерации импульсов фототока. В тоже время, поскольку конечная величина и пространственно-временной профиль неоднородного электрического поля , устанавливающийся при освещении в ν-слое 1 диодной структуры, взаимооднозначно определяются совокупностью внешних и внутренних макро- и микропараметров, характеризующих диодную структуру, то при определенных соотношениях между величиной приложенного к диодной структуре напряжения V и пространственно-временными и мощностными характеристиками импульса управляющего света Р реализуются различные режимы генерации, при которых оптический генератор обеспечивает генерацию импульсов фототока определенного вида, причем независимо от режима генерации механизм образования доменов сильного поля в оптическом генераторе одинаков и соответствует описанному выше.
0
п
0
имп. осв.
прол.
прол
Режим статического домена (см. фиг.3) - режим генерации, при котором происходит образование статического домена реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V≥2V(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 16, формируемым источником управляющего света 10 мощностью Р=P, длительность которого Т≤2t, где t. - время пролета основных фотоносителей через диодную структуру.
Режим подавления домена (см. фиг.4) - режим генерации, при котором сразу после образования домена происходит его гашение, т.е. домен не перемещается в диодной
0
п
имп. осв.
прол.
0
структуре от области его образования до анодного контакта, что обеспечивает максимальную частоту генерации. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V≥2V(x) и одновременном освещении оптическим импульсом прямоугольной формы, формируемым источником управляющего света 16 и оптическим импульсом прямоугольной формы, формируемым вторым источником управляющего света 17, которые имеют одинаковую длительность τ=t и мощность Р=P.
0
п
имп. осв.
прол
0
Триггерный режим генерации (см. фиг.5) - режим генерации, при котором происходит генерация одиночного импульса и его перенос в объеме диодной структуры от области образования до анодного контакта. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V≥V(x) и освещении одиночным оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, длительность которого τ»t, при мощности управляющего оптического импульса Р=P.
0
п
0
имп. осв.
прол
Пролетный режим генерации (см. фиг.6) - режим генерации, при котором происходит высокочастотная генерация с постоянным периодом колебаний, близким к времени пролета носителей, а длительность генерации определяется длительностью управляющего оптического импульса. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V≥2V(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, имеющим постоянную мощность Р»Р, при превышении минимальной длительности управляющего оптического сигнала τ>3t.
0
п
0
имп. осв.
прол
Режим генерации импульсов фототока сложной формы - режим генерации, при котором огибающая генерируемых импульсов фототока взаимно однозначно повторяет форму управляющего оптического импульса сложной формы. Данный режим реализуется в диодной структуре при ее освещении оптическим импульсом любой формы, формируемым источником управляющего света 10: треугольной формы 19 (см. фиг.7), пилообразной формы 20 (см. фиг.8), синусоидальной формы 21 (см. фиг.9), периодическими импульсами прямоугольной формы 22 (меандр) (см. фиг.10). При этом генерация импульсов фототока любой сложной формы происходит при постоянном напряжение смещения V=V(x) и освещении импульсами света 19, 20, 21, 22 мощностью Р=2 Р, длительность которых существенно превышает время пролета фотоносителей τ»t.
0
п
0
имп. осв.
прол.
0
п
0
0
п
0
Многодоменный пролетный режим (см. фиг.11, 12) - режим генерации, при котором происходит генерация нескольких импульсов фототока одновременно (двух, трех, четырех, биения и т.д.) - реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V≥1,5 V(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, имеющим постоянную мощность Р≥2Р, при длительности управляющего оптического импульса τ»t. При указанных значениях V и Р в диодной структуре реализуется двухдоменный пролетный режим, при котором увеличение напряжения диапазоне от 1,65 до 1,8 V(x) либо мощности импульса управляющего света в диапазоне 2,4-2,6 Р приводит к возникновению биений (см. фиг.11). Трехдоменный и четырехдоменный режим генерации реализуется при дальнейшем увеличении напряжения смещения V до величины 2,5 V(x) и/или мощности импульса управляющего света до величины от 3 до 4 Р.
0
п
имп. осв.
прол.
0
0
0
0
0
п
c
c
0
п
0
с
с
Режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13 (I, II) - режим генерации, при котором независимо от формы управляющего оптического сигнала происходит линейное и обратимое изменение частоты генерируемых колебаний при линейном увеличении или уменьшении напряжения смещения или/и мощности управляющего оптического сигнала при их изменении от пороговых значений до значений, при которых происходит срыв генерации. Данный режим генерации реализуется в диодной структуре в два этапа. На первом этапе при постоянном напряжении смещения V=V(x) и освещении одиночным оптическим импульсом прямоугольной формы 18 длительностью τ»t, формируемым источником управляющего света 10 при мощности управляющего оптического импульса Р=Р, обеспечивается генерация одиночного импульса. На втором этапе в зависимости от изменяемого внешнего макропараметра, т.е. изменения величины прикладываемого напряжения V или мощности управляющего оптического импульса 18, а также при их совместном изменении, режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13 (I, II) реализуется различным образом. Обратимое, линейное изменение частоты генерируемых колебаний в за счет изменения величины прикладываемого напряжения V реализуется в диодной структуре при Р=Р и линейном изменении V от V(x) до V, где V - напряжение, при котором происходит срыв генерации, а обратимое изменение частоты генерируемых колебаний за счет изменения мощности Р управляющего оптического импульса 18 реализуется в диодной структуре при постоянном напряжении смещения V=V(x) и линейном изменении мощности управляющего оптического импульса от Р до Р, где Р
0
0
п
c
0
с
- мощность оптического импульса, при которой происходит срыв генерации. Также обратимое изменение частоты генерируемых колебаний при одновременном изменении двух внешних макропараметров V, P реализуется аналогичным образом при линейном изменении V от V(x) до V и Р от Р до Р.
Управление величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации) - режим генерации одиночного импульса, при котором управление величиной порогового напряжения генерации осуществляется за счет управления мощностью оптического сигнала.
имп. осв.
прол.
п
1
п
п
0
п
п
Р
V
P
V
п
п
п
01
п
п
п
02
01
02
п
Данный режим генерации реализуется в диодной структуре при освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, при длительности оптического импульса τ»τ, причем управление величиной порогового напряжения генерации V(x)=LE(x) происходит в определенном диапазоне изменений внешних и внутренних параметров V(x), Р, при которых для порогового поля генерации Е(х) одиночного домена выполняется соотношение Е(х)=E(x)/E(x), где Е(х) - напряженность электрического поля, создаваемая фотогенерированным зарядом свободных фотоносителей при освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 18, а Е(х) - напряженность электрического поля, создаваемая источником смещающего напряжения 7. При этом минимальная величина V(x), при которой происходит генерация одиночного домена, обеспечивается при величине V(x)=0,12 Е(х) и освещении импульсом управляющего света мощностью P, а
максимальная величина V(x) обеспечивается при значениях V(x) от 0,8 до 0,9 Е(х) и мощности управляющего света Р, где P, P - пороговые мощности импульса управляющего света, соответствующие минимальному и максимальному значению порогового напряжения генерации V(x), при которых происходит генерация одиночного домена.
0
п
0
с
имп. осв.
прол
Апериодический режим генерации (см. фиг.14) - режим генерации, при котором мощность управляющего оптического сигнала позволяет управлять числом и периодом генерируемых импульсов - реализуется в диодной структуре при постоянном V ~ от 0,1 до 0,15 Е(х) и изменении мощности Р импульса управляющего света прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, от Р до Р при длительности оптического импульса τ»τ.
Большинство из приведенных выше режимов аналогичны режимам генерации, которые реализуются в диодах Ганна различными методами (в том числе и при работе
диодов в настраиваемой LCR - цепи) [см., например: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: Сов. Радио, 1975. стр.164-212]. Поэтому оптический генератор СВЧ импульсов может рассматриваться как «оптический аналог» классического диода Ганна, поскольку он обеспечивает генерацию импульсов фототока, но только при воздействии оптического сигнала.
Пример конкретного выполнения
1
1
2
2
0
8
13
-3
6
-3
Структуры МТДПТДМ, используемые в качестве оптического СВЧ генератора импульсов фототока, изготовлялись на основе собственного GaAs (ρ~8×10 Ом/см, концентрация электрически активной фоновой примеси N≤10 см, n~7,2×10 см).
3
2
Дрейфовая скорость электронов в неоднородном электрическом поле  рассчитывалась непосредственно на основе измерения величины и распределения электрического поля в объеме диодной структуры с использованием электрооптической методики и в испытуемых структурах составляла  см/с [см. Кашерининов П.Г., Кичаев А.В., Перепелицын Ю.Н., Ярошецкий И.Д. Определение распределения напряженности электрических полей в объеме полупроводниковых структур на основе электрооптических кристаллов. // Тез. докл. XII Всес. конф. по физике полупроводников. - Киев, Наукова думка, 1990, т.2, с.36-37]. После резки слитка (плоскость резки (110)) из шайб выкалывались совершенные монокристаллы GaAs, из которых впоследствии общепринятыми технологическими методами (шлифовки и химико-механической полировки) изготавливались наборы экспериментальных образцов, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов. Каждый набор образцов содержал партию монокристаллов, которые при одинаковых линейных размерах l×h имели различную толщину d (l - длина, h - высота, d - толщина). Шаг изменения l, h - 1 мм (от 10 до 1 мм), d - 500 мкм (от 2,5 мм до 0,5 мм). После обработки на поверхности двух противоположных граней l×h создавались однородные монослои наноразмерного диэлектрика толщиной d от 5 до 40 нм посредством травления образцов в смеси кислот (65% HCl+35% HNO) в течение 35-60 секунд с последующим окислением этих граней в атмосфере сухого О в течение 1 часа. Затем, после окисления, посредством химического осаждения Аи на поверхности окисленных граней формировались оптически прозрачные металлические электроды толщиной 10-20 нм, на которых в одном из углов окисленной грани формировался слой In площадью S~300 мкм и толщиной 2-3 мкм, к которому припаивались
3
4
2
проволочные металлические электроды. По завершении этих операций на каждую из граней монокристалла наносился слой SiН, являющийся одновременно просветляющим и герметизирующим покрытием. Для уменьшения поверхностных токов утечки и исключения закоротки между электродами по периметру грани, содержащей просветляющее покрытие, поверх сформированных слоев наносился слой SiO толщиной 2 мкм и шириной 300 мкм.
Регистрация характеристик генерируемых импульсов, а также работа диода при различных режимах проводилась на стенде, представляющем собой комплекс радиоизмерительной и оптической аппаратуры. В качестве источника оптических импульсов управляющего света прямоугольной и сложной формы и второго источника импульсов управляющего света использовались два одинаковых оптоэлектронных модуля, изготовленных автором. Конструктивно оптоэлектронный модуль представлял собой функционально законченный блок, включающий электронную схему питания полупроводникового лазера типа ЛМ3 800-1000 с длиной волны λ=0,8-0,86 мкм, оптическое излучение из которого выводилось через стандартный многомодовый световод с волоконно-оптическим разъемом. Фокусировка импульсов управляющего света, подаваемых на генерирующую структуру, производилась микролинзовой оптической системой, механически совмещаемой с оптическим разъемом. Кроме того, в состав радиоизмерительной аппаратуры входил генератор электрических сигналов сложной формы АКТАКОМ АНР-1003 и 2 генератора прямоугольных электрических импульсов Г5-56, от которых электрические импульсы необходимой частоты, длительности и формы подавались на электронные схемы питания полупроводниковых лазеров, что обеспечивало формирование управляющего оптического сигнала с требуемыми параметрами. Кроме того, формирование коротких электрических импульсов с длительностью менее 10 нc и с частотой следования до 15 ГГц также обеспечивалось электронными схемами питания полупроводникового лазера при их работе в специальном режиме.
H
Регистрация характеристик генерируемых импульсов фототока проводилась при комнатной температуре (Т=20-25°С) и работе диода на резистивную нагрузку, т.е. в коаксиальную цепь, содержащую источник смещающего напряжения, последовательно с диодом включалось прецизионное сопротивление нагрузки R=50 Ом мощностью 2 Вт, с которого снималось напряжение, пропорциональное току в цепи. Для регистрации характеристик генерируемых импульсов использовались четырехканальный осциллограф серии Tektronix (минимальная временная развертка 1 нc, чувствительность 1 мВ-
-4
н
100 В, цифровая память в режиме регистрации одиночных импульсов) и осциллограф С8-13 с диапазоном чувствительности 10 В - 100 В, на вход которых коаксиальная головка с образцом могла подключаться непосредственно. В зависимости от режима работы использовались генерирующие структуры, имеющие различную толщину d и площадь освещаемой грани l×h. Исследование всех режимов генерации происходило при одной и той же полярности смещающего напряжения, т.е. при отрицательном потенциале, подаваемом на электрод грани, освещаемой импульсами управляющего света от источника управляющего света 8, и, соответственно, при подаче положительного потенциала на электрод, расположенный на противоположной грани. Передний и задний фронты генерируемых импульсов оценивались по уровню 0,9, а амплитуда сигнала - по величине напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R=50 Ом и регистрируемого осциллографом.
0
имп. осв.
0
имп.
6
Режим статического домена (см. фиг.3) был реализован в структуре с линейными размерами l×h×d=10×10×1,0 мм. При реализации режима статического домена к диодной структуре прикладывалось постоянное напряжение V=550 В, а затем от источника управляющего света 10 на образец подавался прямоугольный импульс света 16 длительностью τ=2 нс, P=100 мВт с частотой следования управляющих импульсов 10 Гц. Исследования данного режима показали, что в диодной структуре при освещении генерируется одиночный статический домен с пиковой мощностью импульса P~6,48 Вт.
0
имп. осв.
0
Режим подавления домена (см. фиг.4) был реализован в диодной структуре с линейными размерами l×h×d=5×5×0,5 мм, к которой прикладывалось постоянное напряжение V=610 В, а затем от источника управляющего света 10 подавался прямоугольный импульс света 16 длительностью τ=1 нc, Р=30 мВт и прямоугольный импульс света, формируемый вторым источником управляющего света 17 имеющий ту же длительность и мощность. Время задержки между управляющими импульсами света 16 и 17, а также частота их следования (в диапазоне 100 МГц до 10 ГГц) регулировались с помощью синхронизированных между собой схем питания полупроводниковых лазеров, формирующих управляющие импульсы 16 и 17. Исследование режима подавления домена показало, что максимальная частота генерации одиночного импульса f=1,1 ГГц достигается при временном сдвиге между импульсами управляющего света 16 и 17, сравнимым с длительностью генерируемого импульса, что близко к максимальной
1
перед. фр.
задн. фр
достигаемой частоте для структуры с расстоянием между контактами L=0,5 мм. Длительности переднего и заднего фронтов импульса фототока оценивались по уровню 0,9 и при максимальной частоте генерации соответственно составили: τ от 50 до 60 рс, τ.~300 рс.
0
п
имп. осв.
0
Триггерный режим генерации (см. фиг.5) был реализован на диодной структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×1,0 при напряжении смещения V 291 В (Е(х)~2,6 кВ/см) и освещении одиночным импульсом управляющего света 18 длительностью τ=1,1 мкс с пороговой мощностью Р=15 мВт. Исследования данного режима показали, что данный режим реализуется при пороговых напряжениях смещения и мощности управляющего импульса, причем генерация в данном режиме стабильна, однако частота генерации при данном режиме минимальна.
0
0
п
0
п
0
1
8
Пролетный режим генерации (см. фиг.6) был реализован на той же диодной структуре при постоянном напряжении смещения V=600 В и освещении импульсом управляющего света 18 постоянной мощности Р=35 мВт, длительность которого изменялась от 5 нc до 1,1 мкс (т.е. при V»V(x) и Р»Р, которые соответственно составляли: V(x)=291 В и Р=15 мВт). Испытание данного режима показало, что в структуре с расстоянием между контактами L=1 мм, частота f генерируемых импульсов близка к 10 Гц, причем период генерируемых импульсов Т постоянен и близок к времени пролета носителей.
0
п
0
Режим генерации импульсов фототока сложной формы при освещении управляющими импульсами сложной формы (см. соответственно фиг.7, 8, 9, 10) был реализован на структуре с линейными размерами l×h×d=8×8×0,5 мм при постоянной величине приложенного смещения V=V(x)=130 В и освещении импульсами света 19, 20, 21, 22 мощностью Р=40 мВт (Р=20 мВт). Для этого от источника управляющего света 10 на диодную структуру последовательно подавались импульсы управляющего света различной сложной формы 19, 20, 21, 22 (см. фиг.1), имеющие близкую частоту следования и длительность. Испытание данного режима показало, что независимо от формы импульса управляющего света огибающая генерируемых импульсов взаимно однозначно повторяет форму соответствующего управляющего оптического импульса сложной формы.
Многодоменный пролетный режим (см. фиг.11, 12) был реализован на структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×1,5 мм. При реализации данного режима величины
п
0
п
0
имп. осв.
0
п
0
п
0
0
п
0
порогового напряжения V(x), пороговой мощности Р и длительности прямоугольного импульса управляющего света 18 подбирались экспериментально и в испытуемой диодной структуре соответственно составили: V(x)=590 В, Р=27 мВт при длительности управляющего оптического импульса τ~8,5 мкс. Испытание данного режима генерации показало, что при пороговых значениях напряжения смещения и мощности управляющего импульса в диодной структуре реализуется однодоменный режим генерации. Двухдоменный режим генерации, при котором происходит одновременная генерация двух импульсов фототока, имеющих различную амплитуду и период колебаний, при максимальном времени сдвига между генерируемыми импульсами, сравнимым с периодом их генерации, реализуется посредством увеличения напряжения смещения V до величины 1,5 V(x) и мощности импульса Р управляющего света 18 до величины Р≥2Р. После возникновения двухдоменной генерации увеличение напряжения смещения в диапазоне от 1,65 до 1,8 V(x) либо мощности импульса управляющего света Р в диапазоне от 2,4 до 2,6 Р приводит к сокращению времени сдвига между генерирующими импульсами и к возникновению биений (см. фиг.11). Дальнейшее изменение величины прикладываемого смещения V до величины 2,5 V(x) и/или мощности импульса управляющего света 18 до величины от 3 до 4 Р. приводит к возникновению устойчивой трех- или четырехчастотной генерации импульсов фототока (см. фиг.12).
п
0
п
0
0
п
3
Режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13) был реализован в диодной структуре с линейными размерами l×h×d=6×6×2,5 мм. При испытании данного режима величина порогового напряжения V(x) и пороговая мощность Р управляющего света 18, при которых происходит генерация одиночного домена, подбиралась экспериментально. Для испытуемой структуры при длительности импульса управляющего света 20 мкс и частоте импульсного освещения F=10 Гц величины порогового напряжения и мощности импульса управляющего света 18 составили: V(x)=545 В, Р=6,5 мВт. Все характеристики фототокового сигнала, регистрируемого при пороговых значениях величин Р и V(x), принимались за начало отсчета как при исследовании зависимости частоты генерируемых колебаний от напряжения смещения, так и при исследовании зависимости частоты генерируемых колебаний от мощности управляющего импульса.
0
0
После этого при постоянных пороговой мощности Р и длительности импульса управляющего света 18 величина прикладываемого напряжения последовательно увеличивалась пошагово, причем величина изменения напряжения V на каждом шаге определялась
0
c
п
0
п
c
0
0
c
по изменению частоты (периода) генерируемых колебаний на октаву (изменение частоты на одну октаву соответствует ее изменению в 2 раза). Конечная величина V определялось по напряжению срыва генерации V, достигнув которого напряжение смещения также пошагово уменьшалось до его порогового значения V(x). При этом для каждого значения напряжения, при котором происходило изменение частоты генерации на октаву, измерялись все характеристики регистрируемого фототокового сигнала, по которым впоследствии рассчитывалась величина ОДП и, соответственно, зависимость частоты генерируемых колебаний от напряжения смещения. На фиг.13 (I) представлен в двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики испытуемой диодной структуры, содержащей участок А-Б, на котором показано изменение частоты генерируемых колебаний при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 постоянной мощности и изменении величины смещающего напряжения V от V(x) до V. Каждое значение величины ОДП на участке А-Б зафиксировано при изменении частоты генерирующих колебаний на одну октаву при изменении величины прикладываемого напряжения V в диапазоне от 545 В до 1500 В, при освещении диодной структуры импульсом света длительностью 20 мкс, имеющего мощность Р≈6,5 мВт. Испытание показало, что для данной структуры напряжение срыва составило V≥1500 В, а изменение напряжения смещения от 545 В до 1500 В и обратно обеспечило линейное и обратимое изменение ОДП и частоты генерируемых колебаний в диапазоне 11 октав.
0
п
0
с
Испытание зависимости частоты генерируемых колебаний от мощности импульса управляющего света 18 происходило аналогично. Т.е. при постоянной величине V=V,(x) мощность управляющего оптического сигнала пошагово увеличивалась от ее порогового значения Р до мощности, при которой происходил срыв генерации Р. После этого мощность управляющего импульса пошагово уменьшалась до ее порогового значения. При этом, как и в случае с изменением величины прикладываемого напряжения, величина пошагового изменения мощности управляющего оптического импульса 18 определялась по изменению частоты генерируемых импульсов на октаву. При этом для каждого значения мощности оптического импульса, обеспечивающего увеличение или уменьшение частоты генерируемых колебаний на октаву, измерялись все характеристики регистрируемого фототокового сигнала, по которым впоследствии также рассчитывалась величина ОДП и, соответственно, зависимость частоты генерируемых колебаний от мощности управляющего оптического сигнала. На фиг.13 (II) представлен в
0
п
0
c
0
п
двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики той же диодной структуры, содержащей участок А-В, на котором приведено изменение частоты генерируемых колебаний при фиксированной величине V=V,(x) и изменении мощности управляющего оптического сигнала 18 от ее порогового значения Р до мощности, при которой происходил срыв генерации Р. Каждое значение величины ОДП на участке А-В зафиксировано при изменении частоты генерирующих колебаний на одну октаву при фиксированной величине V=V,(x) и изменении мощности управляющего оптического импульса Р в диапазоне от 6,5 мВт до 42 мВт. Испытание данного режима показало, что для данной диодной структуры изменение мощности Р управляющего оптического импульса 18 в диапазоне от 6,5 мВт до 42 мВт обеспечило линейное и обратимое изменение ОДП и частоты генерируемых колебаний в диапазоне 13 октав.
c
с
Аналогично было проведено испытание зависимости ОДП и частоты генерируемых колебаний при совместно изменяющихся величинах напряжения смещения и мощности импульса управляющего света 15. В этом случае срыв генерации возникал при напряжении смещения V=890 В и мощности импульса управляющего света Р=19 мВт. Испытания данного режима показали, что совместное линейное изменение величины приложенного напряжения и мощности импульса управляющего света от их пороговых значений до значений, при которых происходит срыв генерации, также приводит к линейному и обратимому изменению величины ОДП и частоты (периода) генерируемых колебаний в диапазоне 11 октав.
Управление величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации) было реализовано на структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×2,5 мм.
п
01
имп. осв.
п
02
При проведении испытаний величина порогового напряжения, мощность и длительность прямоугольного импульса управляющего света 18, при которых происходит генерация одиночного импульса, выбирались экспериментально (при испытании диодной структуры эти величины составляли: V(x)=75 В, P=41 мВт, τ~22 мкс). Испытания данного режима генерации показало, что пошаговое увеличение порогового напряжения генерации (шаг 75 В) приводит к генерации одиночного домена при меньшей мощности управляющего оптического импульса (шаг уменьшения мощности Р - 5,5 мВт). В испытуемом образце генерация одиночного домена при максимальной величине порогового напряжения генерации и, соответственно, минимальной мощности управляющего импульса Р составили V(x)=550 В, Р=8 мВт, т.е. между величиной
порогового напряжения генерации и мощностью управляющего оптического импульса реализуется обратно пропорциональная зависимость.
п
0
имп. осв.
п
имп. осв
Апериодический режим генерации (см. фиг.14) был реализован на той же диодной структуре, т.е. структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×2,5 мм. При проведении испытаний величина порогового напряжения, мощность и длительность прямоугольного импульса управляющего света 18, при которых происходила генерация одиночного импульса, были те же, т.е. V(x)=75 В, Р=41 мВт, τ~22 мкс. После этого при фиксированной величине V(x) и τ управляющего оптического сигнала 18 проводилось линейное увеличение его мощности, что приводило к последовательному увеличению числа генерируемых импульсов на импульсе фототока. При этом амплитуда и период колебания каждого последующего импульса последовательно увеличивалось до тех пор, пока в результате роста мощности импульса управляющего света в испытуемой диодной структуре не происходил срыв генерации, при возникновении которого мощность импульса уменьшалась до своего порогового значения.
п
с
имп.
Испытание данного режима показало, что в диодной структуре при минимальной постоянной величине порогового напряжения смещения V(x)=75 В изменение мощности Р управляющего импульса в диапазоне от 41 мВт до 71 мВт приводит к апериодическому режиму генерации, при котором период генерируемых колебаний Т линейно уменьшается (увеличивается), а число генерируемых колебаний ограничивается мощностью срыва генерации Р. Кроме того, при данном режиме генерации была достигнута максимальная мощность генерируемого сигнала, пиковая электрическая мощность которого составила Р≈27,4 Вт.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая полезная модель впервые обеспечивает СВЧ генерацию импульсов фототока только за счет воздействующего освещения. Кроме того, заявляемое устройство позволяет оптически и электрически управлять параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации, повысить частоту генерируемых колебаний по сравнению с прототипом на пять порядков, а также обеспечить СВЧ генерацию импульсов фототока при освещении импульсами света сложной формы, и при этом оптическая генерация импульсов происходит при работе устройства при комнатных температурах. Это стало возможным благодаря тому, что созданы условия, при которых только за счет воздействующего освещения в оптическом генераторе происходит образование изменяемой по величине отрицательной дифференциальной проводимости и формирование объемной фототоковой доменной
неустойчивости дрейфового вида, а также формирование освещением неоднородного профиля распределения электрического поля, которое сохраняется неоднородным в ν-области структуры вне домена, при возникновении домена и его переносе через структуру.
ф
т,
Следует отметить, что аналогичная по конструкции диодная структура может быть изготовлена на основе других высокоомных полупроводников, например CdZnTe, CdTe, InP и др. Основанием для такого утверждения является общность их электрофизических свойств, в частности, монокристаллы таких полупроводников имеют сходную зонную структуру. Кроме того, монокристаллы таких полупроводников могут быть выращены высокоомными, содержащими минимальную концентрацию электрически активной примеси, что позволяет обеспечить в них максимально большое соотношение σ/σ, необходимое для образование объемной фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида.