Многофункциональные элементы оптоэлектроники на основе симметричных фоторезисторных структур

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СИММЕТРИЧНЫХ ФОТОРЕЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР

Специальность: 01.04.05 ? оптика

Денисов Борис Николаевич

Саранск 2009

Работа выполнена на кафедрах экспериментальной физики и радиотехники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Горюнов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Михайлин Виталий Васильевич;

доктор физико-математических наук, в.н.с. Шевяхов Николай Сергеевич;

доктор физико-математических наук, с.н.с. Курков Андрей Семёнович

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится 16 декабря в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.117.13 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» по адресу 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68а, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева.

Отзывы на автореферат просим отсылать по адресу 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68а, ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», Диссертационный совет Д.212.117.13

Автореферат разослан____________________

Учёный секретарь

диссертационного совета Д. 212.117.13

к.т.н., доцент И.Н. Кошин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устройства фотоники и оптоэлектроники характеризуются широкими функциональными свойствами и применяются во всех звеньях систем обработки информации. Одна из основных задач, решаемая оптоэлектроникой и фотоникой, связана с передачей информации с использованием фотонов [1, 2].

Повышение скорости передачи информации в системах связи и быстродействия вычислительных систем являются актуальной задачей. В настоящее время развиваются два направления решения этой задачи. Первое связано с интеграцией электронных и оптических систем на одной кремневой подложке [3, 4, 5]. При этом необходимо изготовить на основе кремния светодиоды, световоды, модуляторы и приёмники излучения.

О решении этих задач и изготовлении опытных образцов в 2008 г. сообщила компания Intel [5]. Второе направление связано с интеграцией не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором [3].

Идея использования физических принципов интеграции нескольких функций в одном приборе возникла в конце 70-х г. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В, Стафееву В.И., Пустовойту В.И., Носову Ю.Р. и другим отечественным ученым. Это направление в оптоэлектронике получило название функциональная оптоэлектроника [6]. Мы полагаем, что вторая проблема может быть решена путём совмещения функций приема оптических сигналов и их обработки в фотоприемнике с помощью электрических сигналов, а также управление электрическими сигналами с помощью оптических сигналов. Это позволит создавать подлинно функциональные оптоэлектронные приборы и вынести практически полностью электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов [3].

Для совмещения функций приема и обработки оптических сигналов фотоприемник должен выполнять операцию прямого аналогового перемножения оптических сигналов на электрические сигналы. Операция умножения является основной для обработки сигналов в системах передачи и приема информации по оптическим и электронным каналам связи и осуществляется опосредованно, путем возведения в квадрат суммы двух сигналов [7,8]. Создание фотонного аналога транзистора, который реализует прямое аналоговое перемножение электрических сигналов на оптические сигналы, обеспечит физические принципы интеграции оптики и электроники.

Для решения задач приема и хранения оптической информации необходимо также устройство, которое обеспечивает совмещение нескольких функций в одном приборе, что позволит сократить время обработки оптического сигнала.

В связи с этим в работе выделены два направления в исследованиях. Первое направление связано с исследованием функциональных свойств фоточувствительных структур, обеспечивающих совмещение операций приема и обработки оптических сигналов. Это направление включает так же исследование операции перемножения оптических и электрических сигналов фоторезистивными структурами, изучение влияния кинетики на нелинейные искажения при регистрации фоторезистором модулированных оптических сигналов. Объём исследований и знаний о таких процессах пока очень мал или отсутствует. Второе направление связано с исследованием физических процессов в фоторезистивных структурах, которые выполняют функции источника излучения, а также приёма и хранения информации в виде оптического сигнала.

К таким структурам относятся пленочные и электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК). Такие ЭЛК представляют собой симметричные структуры металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл (МДПДМ). Эти устройства обладают эффектом оптической памяти. В настоящее время отсутствие качественной технологии изготовления порошковых ЭЛК не позволяет совершенствовать эти устройства. Отсутствуют дублирующие методы определения параметров зонной схемы порошковых полупроводниковых материалов, на основе которых изготавливаются данные устройства.

Объектом исследования в первом направлении нами был выбраны фоторезисторные симметричные структуры типа . Объектом исследования, во втором случае, являлись электролюминесцентные конденсаторы на основе порошковых люминофоров.

Предметом исследования в обоих случая являлись оптические методы передачи и обработки информации, фотоэлектрические явления, люминесценция.

Особенностью данной работы является сочетания физических методов решения поставленных задач, математического моделирования, технических и технологических решений, обеспечивающих реализацию физических идей.

Цель работы: Исследование неравновесных фотоэлектрических процессов в полупроводниках, функциональных свойств симметричных фоторезисторных структур для создания на их основе многофункциональных элементов для оптоэлектроники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

исследовать функциональные свойства фоторезисторных структур при нестационарном возбуждении и питании;

исследовать влияние кинетики фотопроводимости и инжекционных явлений на нелинейные искажения, носимые фоторезистором в регистрируемый оптический сигнал;

разработать новую конструкцию и технологию изготовления ЭЛК, обеспечивающего высокую точность и повторяемость результатов и обладающих эффектом памяти;

разработать новые методы контроля глубины залегания примесных уровней, определяющих кинетику процессов запоминания в ЭЛК.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Установлено, что среднее значение концентрации свободных носителей при периодическом освещении полупроводника, зависит от частоты модуляции возбуждающего излучения при различных скоростях процессов генерации и рекомбинации свободных носителей.

2. Предложен метод определения кинетических параметров фотопроводимости по зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции возбуждающего излучения. Предложен способ Фурье анализа кинетики фотопроводимости с помощью переменного напряжения, приложенного к фоторезистору.

3. Получена математическая модель многофункционального устройства на основе фоторезистора, обеспечивающего операцию прямого аналогового перемножения электрических и оптических сигналов (смесителя). Предложен способ совмещения гетеродинного приёма и детектирования оптических сигналов, модулированных по оптической частоте или фазе с помощью фоторезистора. Созданы математические модели и новые устройства на основе фоторезистора для спектрального анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов, модулированных электрических сигналов; устройства амплитудной, фазовой модуляции электрических сигналов.

4. Создана новая конструкция и технология изготовления планарных порошковых ЭЛК, совместимая с современными технологиями полупроводниковой электроники. Установлена теоретически и экспериментально проверена математическая модель процесса скорости ионизации полем центров свечения в ЭЛК.

5. Разработана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата порошковых полупроводниковых материалов с рекомбинационным типом свечения методом термостимулированной ёмкости (ТСЕ). Методом ТСЕ экспериментально обнаружено явление переселения носителей заряда в люминофоре через примесные уровни без выхода их в зону проводимости.

6. В созданных структурах обнаружено явление оптической памяти. Предложено новое многофункциональное оптоэлектронное устройство, обеспечивающее совмещений функций излучения, приема оптических сигналов и их запоминания.

Практическая ценность результатов. Результаты теоретического анализа и проведенных экспериментальных исследований фотоэлектрических явлений в полупроводнике при динамическом возбуждении расширяют существующие представления о физических процессах поглощения света в полупроводнике и функциональных свойствах фоторезистивных структур. В процессе работы получены следующие практические результаты:

1. Разработаны новые методики для исследования кинетики фотопроводимости; разделения сложных спектров фотолюминесценции, электролюминесценции, фотопроводимости на элементарные полосы. Получен новый способ Фурье-анализа кинетики фотопроводимости.

2. Предложен фотонный аналог транзистора на основе фоторезистора, обеспечивающий прямое аналоговое перемножение оптических и электрических сигналов. Предложен экспериментальный способ Фурье-анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов с помощью фоторезистора. Получены патенты на новые конструкции передатчиков, модуляторов, анализаторов спектра электрических сигналов, обеспечивающие значительное упрощение конструкции и имеющие более низкий коэффициент нелинейных искажений по сравнению с аналогами.

3. Предложен новый способ гетеродинного приема оптических сигналов модулированных по оптической частоте с помощью фоторезистора, обеспечивающий совмещение гетеродинного приема с синхронным детектированием оптических сигналов.

4. Предложена новая конструкция и технология изготовления электролюминесцентного источника света и оптической памяти. Практические результаты исследований отражены в авторском свидетельстве на изобретение.

5. Создана новая экспериментальная методика определения глубины центров захвата в люминофорах с рекомбинационным типом свечения. Определена зонная схема люминофора ZnS-In.

Практические результаты работы составили основу 5 патентов на изобретение и полезные модели.

Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту:

1. Экспериментальный метод определения параметров кинетики фотопроводимости по измерению среднего значения фототока.

2. Экспериментальные исследования и математические модели функциональных свойств фоторезистора, обеспечивающего совмещение функций приёма и обработки оптических сигналов. Аналоговый прямой перемножитель оптических и электрических сигналов на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования устройств, выполненных на основе фоторезистора; синхронного детектора и анализатор спектра гармоник оптических сигналов модулированных по интенсивности, гетеродинного приёмника и детектора оптических сигналов модулированных по оптической несущей.

3. Фотонный аналог транзистора на базе резисторного оптрона. Математические модели и экспериментальные исследования амплитудных, балансных и фазовых модуляторов электрических сигналов, синхронных детекторов амплитудно, частотно и фазомодулированных электрических сигналов, анализатора спектра электрических сигналов, выполненных на основе фоторезистора. Математические модели и экспериментальные исследования нелинейных искажений, вносимых фоторезистором в регистрируемый сигнал.

4. Конструкция и технология изготовления щелевых планарных электролюминесцентных конденсаторов на основе порошковых люминофоров. Экспериментальные исследования и математические модели кинетики скорости генерации носителей и кинетики процессов свечения электролюминесценции.

5. Математическую модель и методику ёмкостного метода определения глубины центров захвата в порошковых люминофорах с рекомбинационным типом свечения.

6. Экспериментальные исследования и математические модели эффекта оптической памяти в щелевых планарных МДПДМ структурах на основе широкозонных полупроводников.

Апробация. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 8-ой Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Москва, 1978); на 2-м Всесоюзном совещании по широкозонным полупроводникам (Ленинград, 1978); на Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ужгород, 1979); на 2-м Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980); на V Всесоюзном совещании «Физика и техника применения полупроводников А²В⁶» (Вильнюс, 1983); на IХ Всесоюзной конференции по светотехнике (Рига, 1987); на VI Всесоюзном совещании «Физика, химия и технология люминофоров» (Ставрополь, 1989); на II Всесоюзном совещании «Материалы для источников света и светотехнических изделий» (Саранск, 1990); на VII Всесоюзном I Международном совещании «Физика, химия и технология люминофоров» (Ставрополь, 1992); на Международной конференции «Осветление -96» (Варна, Болгария, 1996); на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации». (Кисловодск, 1996г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997); на III Всерос. науч. - технич. конф. Светоизлучающие системы. Эффективность и применение. (Саранск, 2001г.); на V международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2003г.); на 3-ой межрегион. науч. шк. для студ. и аспирантов «Материалы нано- микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, октябрь, 2004 г.); на научной сессии, посвященной дню радио (Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, (Москва, 17-19 мая, 2005 г); на 7-ой Всерос. молодеж. науч. шк., «Материалы нано- микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, октябрь 2008г.)

Публикации. Материалы диссертации отражены в 45 работах и защищены 2 патентами на изобретения и 3 патентами на полезные модели.

Личный вклад автора. Автору принадлежит выбор и обоснование путей развития основных направлений исследований по теме работы, постановка задач, создание экспериментальных установок и методик исследования. Проведение экспериментальных исследований, разработка и изготовление опытных образцов выполнены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. В совместных публикациях соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, объяснении и обосновании с физической точки зрения рассматриваемых процессов и явлений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 283 стр., включая 137 рис. и 16 таблиц. Список литературы состоит из 164 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен критический анализ проблемы увеличения скорости обработки информации, рассмотрены пути решения этой задачи, которые реализуются в ведущих лабораториях мира. В настоящее время потребность в скорости обмена данными между электронными устройствами превысила физические ограничения, накладываемые медными проводниками. Поэтому интенсивно ведутся работы по созданию оптических каналов передачи данных между электронными устройствами. Отмечается, что для решения этой задачи должны быть решены две проблемы. Первая проблема заключается в совмещении оптических устройств с элементами кремневой электроники.

Для совмещения оптических устройств с элементами кремневой электроники необходимо создание световодов, источников света и модуляторов на базе кремния [5]. Следует отметить, что эти работы не только пребывают на начальных этапах, но и весьма дороги по сравнению с традиционными технологиями на базе меди. Вторая проблема по интеграции оптики и электроники связана с обеспечением непрерывности перехода из оптических систем передачи данных в электронные системы обработки сигналов. В обзоре отмечается, что вторая проблема может быть решена в рамках нового направления в электроники, которое называется функциональной оптоэлектроникой [3, 6].

В изделиях функциональной оптоэлектроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде с помощью оптического излучения, а не в линиях межсоединений. Поэтому проблема «межсоединений» в этом случае не является ключевой. Для выделения информации, динамическую неоднородность оптической природы превращают в электрическую для дальнейшей электронной обработки. Отмечается, что такой подход приводит к значительной задержке сигнала и не обеспечивает непрерывность перехода из оптических каналов в электронные каналы. фоторезисторный электронный оптический

В главе рассмотрены результаты исследований по кинетике фотопроводимости, методы определения кинетических параметров. Отмечается отсутствие исследований нестационарной фотопроводимости при нестационарном питании, особенности поведении среднего значения фототока при нестационарном питании.

Приводится обзор по функциональным возможностям фоторезистора. Показано, что фоторезистор в системах оптической обработки информации, в оптоэлектронике в основном применяется для регистрации оптического излучения или для гальванической развязки. В ряде случаев его используют в качестве прерывателя (модулятора) электрических сигналов, с целью дальнейшего их усиления. Делается вывод о необходимости подробных исследований функциональных свойств фоторезистора для решения задачи непрерывности перехода из оптических каналов в электронные каналы. Отмечается, что отсутствуют у нас в стране и за рубежом исследования нелинейных искажений, вносимых фоторезистором в регистрируемый сигнал.

Рассмотрены технология изготовления, функциональные возможности существующих плёночных и порошковых ЭЛК. Отмечается возможность изготовления устройств оптической памяти на основе таких устройств. Показано, что устаревшая технология изготовления порошковых ЭЛК не позволяет совершенствовать параметры таких устройств. Делается вывод о необходимости разработки новой технологии изготовления порошковых ЭЛК, совместимой с технологиями микроэлектроники.

Во второй главе рассмотрены применяемые для исследований экспериментальные установки, разработанные методики определения кинетических параметров фотопроводимости и параметров зонной структуры материалов, технология изготовления планарных щелевых структур для электролюминесцентных конденсаторов, фоторезисторов. Основой установки является монохроматор ДМР23 с вакуумным криостатом, в котором располагались образцы. Установка позволяла проводить спектральные, электрические, оптические, емкостные измерения фоточувствительных и люминесцирующих структур в диапазоне температур 77500 K. В качестве фоторезисторов использовались симметричные планарные структуры типа на основе высокоомного кремния или CdS. В качестве электролюминесцентного источника света и ячейки оптической памяти нами применялась запатентованная оригинальная конструкция.

Новый электролюминесцентный источник света представлял собой планарную систему, состоящую из проводящих дорожек (электродов), расположенных в одной плоскости.

Алюминиевые электроды были нанесены методом фотолитографии на ситалловую подложку (рис.1). Были получены образцы с расстоянием между соседними дорожками d = 40, 70 и 128 мкм и шириной дорожки h = 17, 30 и 78 мкм соответственно. В качестве изолятора выступал слой окисла алюминия на поверхности дорожек. Полученные структуры являются аналогам структурам типа МДПДМ. Предельно допустимая амплитуда напряжения, подаваемая на образцы, составляла 400 В.

Рис.1. Конструкция планарного электролюминесцентного конденсатора: 1 ? ситалловая подложка; 2 ? алюминиевые электроды; 3 ? слой люминофора. Авид сверху, Бвид с боку.

Люминофор наносился поверх контактов в виде спиртовой суспензии без связующего материала. Это позволяло проводить исследование явления электролюминесценции и полевых эффектов в «чистом» виде, исключая влияние материала связки на электрические и оптические свойства структур.

Простота нанесения и снятия слоя люминофора без повреждения структуры, позволяла многократно использовать одну и ту же матрицу, что способствовало повторяемости результатов.

Для анализа кинетики фотопроводимости нами использовалась зависимость среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока и закона рекомбинации свободных носителей. Эта методика подробно рассмотрена нами в третьей главе.

Для разделения сложных спектров люминесценции, электролюминесценции, фотопроводимости применялся экспериментальный метод, основанный на разной зависимости амплитуды переменной составляющей в полосах спектров от частоты следования возбуждающих импульсов.

Третья глава посвящена исследованию особенностям регистрации фоторезистором модулированных оптических сигналов. В случае нелинейной кинетики фотопроводимости следует ожидать зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока и закона рекомбинации свободных носителей.

Рассмотрение проведено для случая однородной генерации носителей светом в объеме полупроводника и омических контактов. В случае собственного полупроводника, при межзонном периодическом возбуждении, кинетика изменения концентрации свободных носителей зарядов описывается уравнением:

, (1)

где скорость генерации неравновесных электронов, скорость рекомбинации электронов, , круговая частота.

Покажем, что среднее значение концентрации неравновесных носителей (КНН), а, следовательно, и фототока зависит от частоты модуляции светового потока .

В предельных случаях, когда и , можно найти значения КНН, не решая уравнение (1). При (период , квазистационарный режим) , если . В этом случае равно:

. (2)

Рассмотрим другой предельный случай: , . При высоких частотах [] КНН не успевает отслеживать изменение светового потока, следовательно, .

Интегрируя (1) при указанных граничных условиях и учитывая, что и , получим:

, (3)

где функция, обратная функции . Из выражений (2) и (3) следует, что среднее значение КНН при частотах и отличаются и зависят от частоты модуляции, формы импульсов возбуждающего излучения.

Предложенный способ нахождения исключает необходимость решения дифференциального уравнения (1).

С помощью уравнений (2) и (3) были найдены предельные значения для , среднего значения фототока при импульсном оптическом возбуждении и при треугольной форме оптических сигналов.

Предельные значения для в двух перечисленных случаях равны:

а) , б) , (4)

а) , б) , (5)

где ? КНН при возбуждении интенсивностью , gскважность прямоугольных импульсов света. Полученные выражения могут быть использованы для определения закона рекомбинации (k).

Например, при высоком быстродействии фоторезистора, когда сложно получить прямоугольные импульсы света с фронтом , можно воспользоваться соотношением (5 б) при для вычисления k:

, (6)

где фототок при стационарном возбуждении; среднее значение фототока при периодическом возбуждении сигналом пилообразной формы при .

В диссертации получены аналитические выражения при квадратичной рекомбинации [], рекомбинации вида и предельные значения для в этих случаях.

Анализ экспериментальных результатов и полученных моделей показывает, что при , уменьшается с увеличением частоты модуляции света.

При этом для времени жизни свободных носителей при наличии возбуждения и снятии возбуждения, выполняется соотношение .

При растет с увеличением частоты модуляции света, при этом .

Полученный вывод был экспериментально подтвержден на фоторезисторах на основе CdS, Si (рис. 2, 3, 4).

Рис. 2. А Экспериментальные осциллограммы нарастания (1) и затухания (2) фототока фоторезистора на основе CdS, с., . Б Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости среднего значения фототока от частоты

Рис. 3. А Экспериментальные осциллограммы нарастания (1) и затухания (2) фототока фоторезистора на основе CdS, легированного бором, путем ионной бомбардировки (Е=100кэВ). , Б Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости среднего значения фототока от частоты

Среднее значение квантовой эффективности фотоприемника может быть записано в виде:

. (7)

Рис. 4. Экспериментальная и теоретическая зависимости среднего значения фототока от частоты модуляции светового потока. Параметр k=1,3641791 рассчитан с помощью соотношения (4 б)

Значения , зависят от частоты модуляции света, а среднее значение фотонов (), падающих на поверхность фотоприемника, остается постоянным с изменением частоты модуляции света. Следовательно, квантовая эффективность фотоприемника может изменяться при неизменной средней интенсивности (мощности) падающего излучения. Объясняется этот факт тем, что при изменении частоты следования световых импульсов, изменяется средняя запасенная внутренняя энергия. Это значит, в динамике изменяется средняя доля поглощенного света, которая идет на изменение внутренней энергии.

Четвертая глава содержит описание результатов исследования функциональных свойств фоторезистора, математического моделирования и экспериментального исследования процессов, обеспечивающих совмещение функций приёма и детектирования модулированных оптических сигналов в самом фотоприёмнике, а также способ управления электрическими сигналами с помощью оптических сигналов устройством на основе фоторезистора.

В настоящее время фотоприемник в оптронных устройствах в основном выполняет функцию преобразователя оптических сигналов в электрические сигналы.

При этом он обеспечивает идеальную развязку и отсутствие обратного действия на источник оптического излучения. Все дальнейшие операции, связанные с обработкой сигнала и извлечением информации, выполняет электроника.

Операция умножения является одним из основных способов оптической и электронной обработки информации и осуществляется опосредованно, путем возведение в квадрат суммы двух сигналов.

В отличие от аналогового транзисторного перемножителя, фоторезистор, может осуществлять непосредственное перемножение двух сигналов, один из которых оптический (Ф), а другой напряжение, приложенное к фоторезистору (U).

, (8)

где проводимость, . Согласно (8) ток на выходе фоторезистора пропорционален произведению двух сигналов. Рассмотрим процесс совмещение функций приёма и синхронного детектирования модулированных оптических сигналов в самом фотоприёмнике.

Для обсуждения принципиальных вопросов, связанных с функциональными возможностями фоторезистора, будем в дальнейшем полагать, что проводимость обусловлена носителями одного знака (электронами), полупроводник является беспримесным.

Контакты, будем полагать, омическими и в процессе фотовозбуждения полупроводник остается электронейтральным. Генерация светом свободных носителей в объеме образца является однородной, т.е. , где - коэффициент поглощения полупроводника, - его толщина.

Постоянную времени жизни свободных носителей () будем считать малой , где наивысшая частота в спектре модулированного по интенсивности света. Пусть поднесущая оптического сигнала получена в результате модуляции интенсивности света с частотой . Оптический амплитудно-модулированный по интенсивности сигнал имеет вид:

, (9)

где частота поднесущей оптического сигнала, частоты гармоник модулирующего сигнала.

В этом случае возможно совмещение в фотоприемнике приема оптического сигнала и синхронного детектирования при подаче на фоторезистор напряжения с частотой поднесущей . Сигнал на выходе фоторезистора будет содержать модулирующий сигнал:

. (10)

Гармоники с частотами равными могут быть удалены на выходе фоторезистора фильтром низких частот.

Рассмотрим процесс детектирования в случае угловой модуляции поднесущей. Пусть оптический сигнал с угловой модуляцией поднесущей при индексе угловой модуляции имеет вид:

. (11)

При подаче на фоторезистор напряжения с частотой, равной частоте поднесущей , сигнал на выходе фоторезистора будет содержать модулирующий сигнал, который может быть выделен фильтром низких частот:

. (12)

Если оптический сигнал модулирован по оптической частоте, то для детектирования оптических сигналов применяется гетеродинный метод приема сигналов. Для выделения информации из колебаний промежуточной частоты используется электрический детектор. Применение высокочастотного питания фоторезистора, с частотой равной промежуточной, позволяет осуществить синхронное детектирование такого сигнала без применения электронных детекторов. Рассмотрим математическую модель этого процесса. Пусть и напряженности электрического поля оптического сигнала несущего информацию, и оптического сигнала гетеродина; , соответственно частоты оптического сигнала и сигнала гетеродина, отличающиеся на частоту радиодиапазона. Мощность оптического сигнала на частоте радиодиапазона равна:

. (13)

Ток фоторезистора при подаче переменного напряжения будет содержать гармонику сигнала, мощностью , при условии .

, (14)

где , , темновая проводимость, фотопроводимость. При выполнении условия: , на выходе фоторезистора появится составляющая тока, пропорциональная сигналу сообщения:

. (15)

Следовательно, фоторезистор, в данном случае, выполняет одновременно три функции: 1) регистрирует модулированный оптический сигнал и сигнал гетеродина; 2) осуществляет смешивание оптического сигнала и сигнала гетеродина; 3) осуществляет операцию детектирования при подаче на него переменного напряжения с частотой . Такое решение, во-первых, резко упрощает схему приема и обработки оптического сигнала, несущего информацию. Во-вторых, повышает качество обработки информации за счет снижения нелинейных искажений и, в-третьих, сокращает время задержки сигнала.

Рассмотрим возможность управления электрическими сигналами при помощи оптических сигналов устройством на основе фоторезистора. Смеситель (перемножитель) сигналов является базовым элементом многих радиотехнических устройств, например модуляторов.

Пусть оптический сигнал, несущий информацию за счет модуляции по интенсивности, имеет вид:

, (16)

где - постоянная составляющая интенсивности света, , , - соответственно амплитуда, частота и фаза гармоник, изменяющейся во времени интенсивности света. Подавая на фоторезистор высокочастотное напряжение вида , при условии , получим выражение для тока на выходе фоторезистора:

, (17)

где , - частота высокочастотного сигнала, - амплитуда переменного напряжения, темновой ток, фототок при освещении интенсивностью , фототок при освещении интенсивностью , наивысшая частота в спектре модулированного по интенсивности света.

Из выражения (17) следует, что фоторезистор может выполнять функцию модулятора (смесителя) двух сигналов с частотами k и , не внося, в отличие от транзистора, дополнительных гармоник, кратных k и , поэтому нет необходимости применения дополнительных фильтров. Используя выражения (17), получим соотношение для глубины модуляции амплитудномодулированного (АМ) сигнала:

. (18)

Из (18) следует, что , т.к. всегда выполняется неравенство . С помощью фоторезистора можно проводить спектральный анализ оптических сигналов, модулированных по интенсивности оптических сигналов и электрических сигналов.

При на выходе фоторезистора появится низкочастотный ток с амплитудой пропорциональной амплитуде k-ой гармоники исследуемого сигнала. Следует отметить, что в качестве анализируемого сигнала может выступать приложенное к фоторезистору напряжение или модулированный по интенсивности оптический сигнал.

Простейшая действующая схема анализатора спектра гармоник модулированных по интенсивности оптических сигналов представлена на рис.6.

Рис. 6. Простейшая схема анализатора спектра: 1 - фоторезистор, 2 - перестраиваемый генератор, 3 - гальванометр магнитоэлектрической системы, 4источник света

В таблице 1 приведены данные по спектральному анализу прямоугольных импульсов света (скважностью ) с частотой следования импульсов 100 Гц. Там же приведен спектральный состав меандра с , полученный в результате разложения меандра в ряд Фурье. За единицу принята амплитуда первой гармоники. Вплоть до девятой гармоники наблюдается совпадение с точностью 1% ,соответствующей точности измерения гальванометра (М-95). В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе высокоомного кремния.

Таблица 1

k	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Эксперимент	1	0	0,33	0	0,2	0	0,14	0	0,11
Расчет	1	0	0,333	0	0,2	0	0,1428	0	0,111

Следует отметить, что рассмотренный способ получения АМколебания не позволяет получить балансно-модулированное колебание. Рассмотрим другой способ подачи несущего колебания на фоторезистор, позволяющий получить балансно-модулированное колебание. Пусть в качестве несущего сигнала выступает оптический сигнал, модулированный по интенсивности с частотой несущего сигнала ():

. (19)

Модулирующим сигналом будем считать однотональный сигнал вида:

. (20)

Ток на выходе фоторезистора будет равен:

, (21)

где темновой ток при постоянном напряжении ; фототок при напряжении ; фототок при напряжении ; темновой ток. Выражение (21) содержит амплитудно-модулированный сигнал. В данном случае глубина модуляции равна:

. (22)

Так как может быть больше , следовательно, возможно получение балансно-модулированного колебания. Но при этом необходимо применение фильтра высоких частот для удаления низкочастотного колебания . На рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные осциллограммы балансного колебания, полученного с помощью фоторезистора на основе высокоомного кремния. Второй способ позволяет получать АМ и балансно-модулированное колебания, при отсутствии нелинейных искажений модулирующего сигнала, в том числе в случае нелинейной кинетики фотопроводимости. Достоинствами обоих способов получения АМ сигналов с помощью фоторезистора является простота конструкции и идеальная гальваническая развязка несущего и модулирующего колебания.

Таким образом, проведенное рассмотрение показывает, что в фоторезисторе возможно совмещение операций приема и обработки (детектирования) модулированных оптических сигналов. Совмещение в фотоприемнике функций приема и детектирования, без элементов электроники, позволит выносить электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов.

Рис. 5. Экспериментальная (1) и теоретическая (2) осциллограммы балансно-модулированного колебания на выходе фильтра. Коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции (Гц) равен 0,1. частота несущего сигнала. (1).

Такое решение позволяет обеспечить непрерывный переход из оптических систем передачи данных в электронные. Фоторезистор можно назвать фотонным аналогом транзистора, выполняющим функцию прямого аналогового умножения сигналов. Фоторезистор может заменить транзистор в системах обработки электрических сигналов с помощью оптических сигналов, обеспечивая гальваническую развязку и повышение точности преобразования электрических сигналов.

В пятой главе изучаются нелинейные искажения, вносимые фотоприемником в регистрируемый модулированный по интенсивности оптический сигнал. Рассмотрено влияние кинетики фотопроводимости, инжекционных явлений, схемы измерения на нелинейные искажения.

Реальный фоторезистор является нелинейным элементом, даже при омических контактах и однородной генерации носителей светом в объеме. Нелинейная зависимость проводимости фоторезистора от уровня освещения связана с нелинейной кинетикой процессов рекомбинации. Кинетическое уравнение при гармоническом возбуждении в рамках ранее принятых приближений запишется как:

, (23)

где , , , А скорость генерации носителей светом, , коэффициент поглощения света, квантовый выход, интенсивность света в квант/сек·м², , R коэффициент отражения, - время жизни свободных носителей при низком уровне освещения. При высоком уровне инжекции , решение (23) в квазистационарном приближении , может быть найдено в аналитическом виде. Полагая , получим:

. (24)

Разлагая выражение (24) в ряд Фурье, определим коэффициент нелинейных искажений (КНИ), вносимых фоторезистором при квадратичной рекомбинации:

(25)

Это предельное значение КНИ фоторезистора в случае квадратичной рекомбинации, работающего при условии . Рассмотрим промежуточные случаи. Разделим соотношение (23) на 2.

, (26)

где относительная концентрация, =t/_n, относительная скорость генерации свободных носителей. В уравнении (26) постоянная времени при низком уровне возбуждения равна единице, следовательно, граничная частота при низком уровне инжекции. Для сравнения с экспериментом использовались следующие соотношения, полученные из (26), при стационарном освещении интенсивностью при условии :

, , (27)

где отношение стационарной неравновесной концентрации свободных носителей к равновесной; - темновой ток; - ток при стационарном освещении интенсивностью , измеряемые экспериментально. При расчетах была обнаружена закономерность, которая связывает КНИ (S) с глубиной модуляции (M):

. (28)

На рис. 7 приведены теоретические и экспериментальные зависимости КНИ в зависимости от уровня возбуждения и глубины модуляции. Уровень возбуждения рассчитывался из соотношения . Вплоть до высокого уровня возбуждения (Y = 6) КНИ линейно зависит от глубины модуляции. Все расчеты были проведены при низкой частоте с^-1, которая значительно меньше граничной частоты, равной . Приемлемые нелинейные искажения, менее одного процента, могут быть получены при глубине модуляции менее 0,05. Для исключения нелинейных искажений модулирующего сигнала он должен подаваться на фоторезистор в виде напряжения, а высокочастотный в виде модулированного по интенсивности оптического сигнала (см. главу 4). В этом случае нелинейные искажения будут обусловлены только устройством, преобразующим сигнал сообщения в напряжение.

Рис. 7. Экспериментальная и теоретическая зависимости КНИ:

1 от глубины модуляции М, 2от относительной концентрации .

В диссертации рассмотрен случай межзонной кубической рекомбинации вида:

, (29)

где относительная концентрация, относительная скорость генерации. В случае КНИ достигает значения 34,6%.

Анализ влияния примесей на нелинейные искажения фототока проведен на примере полупроводника с двумя примесными уровнями. Кинетические уравнения в безразмерных координатах для полупроводника с донорным и рекомбинационным уровнями записаны в виде:

, (30)

, (31)

где относительная концентрация ионизованных центров рекомбинации; относительная концентрация электронов, инжектированных светом в зону проводимости; относительная концентрация центров захвата (ловушек); относительная скорость теплового освобождения ловушек; относительный коэффициент захвата электронов из зоны проводимости ловушкой; относительная интенсивность возбуждения; относительное время, измеренное в единицах .

В таблице 2 приведена зависимость КНИ (S примес., %).) от относительной избыточной концентрации () в случае рассматриваемой модели.

Там же приведены эти данные для собственного полупроводника (Sсобст., %.). КНИ в случае примесного полупроводника значительно ниже и отличается почти в два раза в сторону меньших значений..

В случае примесного полупроводника КНИ, равный 18%, достигается при относительном уровне возбуждения равным 40. Это означает, что в случае примесного полупроводника возможно получение более глубокой модуляции при меньших нелинейных искажениях. Расчет проводился при следующих данных: в единицах , , , .

Таблица 2

М	0,09	0,17	0,23	0,286	0,33	0,5	0,67	0,75
	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	4	6
Sсобст, %	2,27	4,16	5,76	7,13	8,32	12,46	16,5	18,46
Sпримес, %	1,13	2,09	2,92	3,65	4,3	6,7	9,6	11,4

Для анализа нелинейных искажений, связанных с контактной инжекцией, мы воспользовались феноменологическим соотношением для переменного тока:

, (32)

где А const, зависящая от типа и параметров полупроводника, амплитуды напряжения; b параметр, который изменятся от 0 до 1 в зависимости от уровня и вида инжекции. Если , то это соответствует квадратичному закону инжекции.

Выражение (32) справедливо при , где время диэлектрической релаксации. На рис.8 представлена зависимость КНИ от уровня инжекции .



Рис. 8. Зависимость коэффициента нелинейных искажений S от уровня инжекции b

В случае кубического закона КНИ может достигать 80%. Следовательно, для обеспечения малых нелинейных искажений, необходимо избегать таких режимов работы.

Шестая глава посвящена технологии изготовления и исследованию порошковых электролюминесцентных структур, совмещающих в себе функции источника излучения и оптической памяти.

В настоящее время исследователи в основном заняты изучением плёночных ЭЛК, полученных методом эпитаксии на подложке. Такие ЭЛК обладают более высокими параметрами, чем порошковые. Основной недостаток пленочных ЭЛК является малая площадь излучения и сложность изготовления.

Устаревшая технология изготовления порошковых ЭЛК главное препятствие их применения и совершенствования. Поэтому нами была разработана новая конструкция и технология изготовления порошковых ЭЛК, совместимая с технологией применяемой в микроэлектронике, описание которой приведено во второй главе.

Новые порошковые ЭЛК обеспечили высокую повторяемость результатов и возможность исследования электролюминесценции в отсутствии связующего.

Высокое качество современных порошковых люминофоров, простота разработанной нами технологии изготовления ЭЛК на их основе, высокая светоотдача, сравнимая с плёночными ЭЛК, делают перспективными порошковые ЭЛК для создания различных устройств на их основе.

Эффективность процессов электролюминесценции, как показывает эксперимент, зависит как от величины приложенного напряжения, так и от скорости изменения напряжения.

В литературе отсутствует теоретический анализ этого процесса. Из проведенных нами экспериментов видно (рис. 9), что мгновенное значение интенсивности люминесценции вспышки включения резко изменяется при изменении длительности фронта нарастания.

Рис. 9. Осциллограммы свечения люминофора ЭЛ-515 при различной длительности фронта нарастания импульса напряжения t_и для импульса включения (U₀ = 299В, Т = 5,7·10^-3с, Т₁ = 2,9·10^-3с) и значения энергии излучения W за период: 1 ? W=23 отн.ед., t_и=10мкс; 2 ? W=23 отн.ед., t_и=40мкс

Время нарастания ()свечения у вспышки включения всегда заканчивается в момент (Т) прекращения нарастания импульса напряжения (рис. 9). Из этого факта следует, что должна выполняться следующая зависимость между скоростью генерации и скоростью изменения напряжения:

, (33)

где , - непрерывная функция, пропорциональная вероятности ионизации полем; - значение напряжения в данный момент времени; U_p пороговое напряжение, соответствующее началу процесса ионизации.

Соотношение (33) верно при . Покажем, что в этом случае энергия излучения не будет зависеть от длительности фронта импульса, а будет определяться только значением порогового напряжения и максимальным значением напряжения в импульсе.

Известно, что

, где , (34)

поэтому:

. (35)

Здесь ^* ? число ионизованных центров свечения, t_п ? время достижения напряжения величины, равной пороговому, ? время окончания процесса ионизации. , где Т- время нарастания напряжения до U₀, ? квантовый выход. , так как .

Из (35) следует, что энергия вспышки зависит от значения порогового напряжения () и максимального значения напряжения (). Из (33, 34, 35) при , получим:

. (36)

Из (36) следует известный экспериментальный закон , реализующийся при линейном нарастании приложенного напряжения .

Проведенный эксперимент показал, что зависимости, построенные в координатах , для люминофора ЭЛ-515 и для люминофора ЭЛ-525 при различных частотах переменного напряжения, являются линейными.

Следовательно, зависимость энергии W (яркости В) от напряжения в произвольном случае должна иметь вид:

. (37)

Выражение для скорости генерации, согласно (37), равно:

. (38)

Согласно проведенным экспериментам, энергия вспышки включения равна энергии вспышки выключения при и . Используя этот результат и выражения для скорости ионизации полем (33) и (38) нами получено дифференциальное уравнение процесса кинетики при условии, что :

, (39)

где ? функция, характеризующая скорость рекомбинации свободных носителей на центры свечения. Используя равенство (39), с учетом переходных процессов в цепи, содержащей активное сопротивление и емкость, получим:

, (40)

где - интенсивность свечения люминофора в единицах квант/с. Полагая, что в максимуме , и пренебрегая в уравнении (40) слагаемым , получим выражения для положения максимума и сдвига максимума свечения от амплитуды импульса с учетом ():

, , (41)

где m = соnst. На рис. 10(А, Б) построены теоретические (1) и экспериментальные (2) зависимости сдвига максимума свечения от приложенного напряжения при неизменном RC для люминофоров ЭЛ-515 и ЭЛ-525 соответственно.

Рис.10. Зависимость t_max от напряжения U₀₂.

А ЭЛ-515, Б ЭЛ-525. При (s-2)RC=20мкс., U₀₁ =180В

Величина была рассчитана из экспериментальных кривых. Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических кривых, построенных по формуле (41), является доказательством правильности соотношения (40).

Полученные выражения для скорости генерации позволили сделать вывод о причинах различия вспышек включения и отключения. Если , то вспышка включения должна превышать вспышку выключения. Если , то вспышка включения будет меньше вспышки выключения.

Для исследования зонной структуры порошковых люминофоров с рекомбинационным типом свечения нами предложен метод ТСЕ (рис. 11).

Рис. 11. А - Конструкция планарного электролюминесцентного конденсатора. Б - Эквивалентная схема структуры: 1 ? алюминиевые электроды, 2 ? ситалловая подложка, 3 ? слой люминофора, 4 ? слой диэлектрика

На основе соотношения В.И. Оделевского было получено выражение для ёмкости слоя люминофора () в нашей структуре:

, (42)

где х₂ доля объема слоя, занимаемого люминофором; С₀ геометрическая емкость области занимаемой люминофором; А, Ввеличины зависящие от величины приложенного напряжения, геометрических размеров структуры; концентрация свободных носителей в кристаллах люминофора.

Концентрация свободных носителей является функцией температуры n_s= n_s(T). Определяя максимум функции С_л.экв(T) из выражения (42) получаем, что , если .

Это условие совпадает с условием максимума термостимулированной проводимости (ТСП). Следовательно, для расчета глубины центров захвата, можно использовать соотношения, применяемые при расчетах по кривым ТСП.

Метод ТСЕ может быть использован только для люминофоров с рекомбинационным типом свечения.

В люминофорах ЭЛ-515, ЭЛ-525 и КО-530 методом ТСЕ обнаружены глубокие центры захвата (более 0,78эВ), которые из-за температурного тушения не проявляются при термовысвечивании (ТВ).

На рис. 12 приведены кривые ТВ и ТСП для люминофора ZnS-In. На кривой ТВ у люминофора ZnS-In в области низких температур проявляется три пика при Т₁ = -160 ⁰С, Т ₂ = -88 ⁰С, Т ₃ = -45 ⁰С, а в области высоких температур - один пик при Т₄= +110 ⁰С, причем пик при температуре Т₁ является сложным.

Глубины залегания центров захвата равны соответственно Е₁ = 0,24эВ, Е₂= 0,398эВ, Е₃= 0,49эВ и Е₄ =0,8эВ.

На кривой ТСЕ наблюдается два пика в высокотемпературной области при Т =+128⁰С (0,78эВ) и в низкотемпературной - Т=-20⁰С (0,49эВ). Из кривых ТСЕ следует, что в низкотемпературной области термическое опустошение ловушек не сопровождается появлением свободных носителей, следовательно, центры захвата должны иметь возбужденные состояния, находящиеся в запрещенной зоне.



Рис. 12. Кривые ТВ (1) и ТСЕ (2) люминофора ZnS-In (f=5кГц)

Впервые с помощью емкостного метода изучены явления перераспределения зарядов по уровням локализации у люминофора ZnS-In (рис. 13, рис. 14).

Рис. 13. Кривые ТВ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=110⁰С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при ?196 ⁰С (2)



Рис. 14. Кривые ТСЕ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=110⁰С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при ?196 ⁰С (2)

Рис. 15. Зонная схема люминофора ZnS-In

По кривым ТВ и ТСЕ обнаружено, что переселение зарядов с уровня Е₁= 0,398 эВ (88 С) на уровень Е₂= 0,29 эВ (138 С) осуществляется без перехода в зону проводимости.