Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

341

областей p-n-перехода сделать два изолированных электрода А и В, то при локальном освещении поверхности оптического окна ФД узким световым лучом, смещенным относительно центра окна, между этими электродами генерируется продольная фото-ЭДС, в отличие от обычной поперечной фото-ЭДС, возникающей между p-n-областями при несмещенном потоке (рис. 14.17).

	F	при равномерном ос-
А	В	вещении
базовые электро-	0,1мм
ды		V

	0,04мм						1
			Поперечная фотоЭДС				2
			F				при локальном осве-
А						В
							щении

1-n-обл-ть

2-индиевый

электрод

V

Продольная фотоЭДС

Рис. 14.17. Конструкция германиевого координатно-чувствительного ФЭ

Продольный ФЭ используется для создания фотоприемников чувствительных к месту падения светового луча, т.е. координатно-чувствительных ФЭ, применяющихся для регистрации координат источника излучения (в качестве следящих датчиков).

Материалом для них является германий, антимонид и арсенид индия.

Механизм образования продольной фото-ЭДС (рис. 14.18). Р+-область в Ge

А	В
	n	U,mВ
	p+	1,5
		1
		0,5
U		0						х,мм
		-0,5	10	20	30	40	50
								60
	UАВ	-1
	x	Рис.	14.19.Зависимость величины про-
Рис.14.18.Механизм образования про-		дольной фото-ЭДС от положения светово-
дольной фото-ЭДС.		го пятна

342

c высокой концентрацией акцепторной примеси обладает значительно большей электропроводностью, чем базовая область n германия. Р+ - область можно считать эквипотенциальной. Дырки, втягиваемые в p+-область через освещенный участок p-n-перехода сразу же растекаются по p+-слою, не образуя в нем объемного заряда. Поперечная фото-ЭДС, эквивалентная прямому смещению на p-n- переходе, обуславливает обратный переход избыточных дырок в n-область.

При протекании обратного тока через переход в n-слое Ge, обладающим высоким продольным сопротивлением, возникает продольное поле, которое вызывает движение электронов от освещенного участка к местам обратной инжекции дырок для нейтрализации создаваемого ими объемного заряда.

Непременным условием образования продольной фото-ЭДС является несимметричность p-n-перехода. От положения светового пятна зависит величина

продольной фото-ЭДС (рис. 14.19).	Одним из видов несимметричного электрон-
но-дырочного перехода является	барьер Шоттки. Известны координатно-

чувствительные ФЭ с барьером Шоттки, например, со структурой кремнийзолото, где гетеропереходы принципиально несимметричны. Примером продольного ФЭ с гетеропереходом может служить тонкопленочный фотоэлемент n·CdS – p·Cu2O, в котором слой Cu2O – эквипотенциален. Чувствительность координатных

ФЭ достигает » 300 mB (для Si - Au) . Применение их обеспечивает точность оп-

мм×мВт

ределения направления светового луча до долей угловой секунды.

Фотодиоды с магнитным эффектом (ФМЭ). Фото-

магнитный эффект используется на практике для создания фотомагнитных приемников (ФМП) излучения. ФМП на основе узкозонных полупроводников используются, главным образом, в качестве приемников инфракрасного излучения. Рассмотрим ФМП излучения на антимониде индия InSb (Рис. 14.20). Рабочая длина волны этого ФМП нахо-

дится в пределах от λ = 6,2 мкм	до 7,5 мкм. На рис. 14.20
введены обозначения:	5·1016 см1/3 удельное со-
1 – антимоднид индия р-типа, р =
противление материала у » 0,03 Ом × см, 2 – магниты , t –

толщина пластинки, длина образца между электродами l –

50 мкм, S »1 мм2 .

Поверхности пластинки обрабатывают так, чтобы рекомбинация со стороны падения света была меньше, чем на противоположной стороне.

Если электроды ФМП замкнуты на небольшее внешнее сопротивление, то

при освещении наружной поверхности течет ток КЗ
jфмэ =	eN q зL			( мn	+ мp )	Н	(14.33)
	1 +	фS				С

L

Nq – поток квантов излучения, ε – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, L – диффузионная длинна неосновных носителей заряда,

343

S – скорость поверхностной рекомбинации носителей на освещаемой поверхности, τ – время жизни носителей, µn и µp – подвижности электронов и дырок, H – напряженность магнитного поля.

При разомкнутой внешней цепи величина фотоЭДС (напряжение между

точками а и б) (рис.14.20) равно:	U xx	=	jфмэ	,
			уl

где σ – удельная электрическая проводимость полупроводника, l – длина образца между электродами.

	При мn	= 80000	cм2	и τ < 0,2 мкс обес-
			в × с

печивается высокое быстродействие. Зависимость фототока КЗ фотомагнитного ФМП от величины индукции магнитного поля показана на рис. 14.21. Чувствительность, определяемая как отношение падение напряжения на наружном сопротивлении к

U
единице мощности излучения		,
	P

составляет величину порядка 1 – 3 В/Вт. Обнаружительная способность:

D (300O К, 4000Гц, 1Гц) = 3 ×108 см × Гц12Вт-1.

Фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзистор (рис. 14.22) -

представляет собой структуру фототранзистора из чередующихся слоев p-n-p или n-p-n, как правило, в планарном (плоском) исполнении. Освещение ведется со стороны базы и эмиттера через оптическое окно. Внешнее напряжение смещает коллекторный переход в обратном направлении, а переход эмиттер - база может иметь либо обратное, либо небольшое прямое смещение в зависимости от выбранного режима работы.

Если оба перехода смещены в обратном направле-

нии, то в отсутствие освещения ток коллектора Iк		бу-
дет равен обратному току перехода коллектор –	база, т.е. IКТ = IКБО. При этом уч-
тем, что обратное смещение перехода эмиттер –	база (Э-Б) невелико, равно 0	или

не превышает UT. Направим на переход эмиттер – база световой поток Ф, в обоих областях перехода будет происходить генерация пар носителей заряда. Через переход эмиттер – база увеличится ток экстракции неосновных носителей. Это приведет к снижению потенциального барьера и к росту тока базы. В свою оче-

редь ток коллектора увеличится IК = b × IБ + (b + 1)IКБО , где b - коэффициент передачи тока базы. При дальнейшем увеличении светового потока переход Э-Б окажется смещенным в прямом направлении. Токи инжекции неосновных носителей превысят токи экстракции неосновных носителей, и ток коллектора возрастет еще больше. Эти рассуждения справедливы и для случая, когда в темновом режиме переход Э – Б имеет небольшое прямое смещение.

344

В темноте практически все внешнее напряжение падает на коллекторном переходе. Освещение средней части (базы) ведется через тонкий слой эмиттера. Возникающие в базе и в обоих переходах фотоэлектроны попадают в области эмиттера и коллектора, а дырки собираются в средней области. В результате к левому p-n-переходу оказывается приложенным дополнительное напряжение в прямом направлении и возникает инжекция темновых электронов через сниженный барьер в базу и далее – в коллекторный переход (рис. 14.23,а).

Таким способом первоначальный ток фотоносителей может быть усилен ~ в 1·102 раз. Соответственно чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у обыкновенного ФД. С другой стороны, участие процессов диффузии носителей заряда увеличивает инерционность и постоянная времени возрастает τ = 10-5

– 10 -6с.

Сужение базы, необходимое для уменьшения τ приводит к уменьшению чувствительности фототранзистора вследствие уменьшения числа поглощенных фотонов.

Рис. 14.22 и 14.23,а и б иллюстрируют работу фототранзистора. Вольт – амперные характеристики фототранзистора приведены на рис. 14.23,б.

Фототиристор имеет чередующиеся слои p, n, p, n – типов проводимости и соответственно 3 p-n-перехода, из которых средний называется коллекторным, а два крайних эмиттерными. Структура включается так, чтобы коллекторный переход был включен в обратном направлении, а 2 эмиттерных – в прямом (+ на внешней p-области, а – на n-области).

Если напряжение на всем тиристоре увеличить до Un, при котором эмиттерные переходы заметно понизятся (или при U < Un, но с помощью управляющего электрода одной из баз эмиттерный переход включается в прямом направлении), то через тиристор начинает течь значительный ток, который приводит к накоплению в p-базе положительного эаряда, а в n-базе отрицательного. Это снижает высоту p-n-переходов и вызывает резкий рост тока. При этом общее падение U на тиристоре снижается, т. к. токи сами теперь поддерживают нужную степень накопления зарядов. Т. о. тиристор может находиться в состоянии, соответствующем большим или малым токам, т. е. тиристор может работать как ключ в электрической цепи.

Э		Б	К
				I
	G			Ф3>Ф2>Ф1
				Ф2
			Ес	Ф1
				Ф=0
			Ev	U
		a)
				б)
n		p	n
				б)
Рис. 14.23. Фототранзистор а) –				энергетическая диа-
грама	фото-транзистора; б) – В А характеристики.

345

У фототиристора накопление + и – зарядов, необходимых для перевода его во включенное состояние производится при облучении светом с длиной волны, близкой к собственному поглощению материала. Поле среднего

перехода направляет фотодырки в p-базу, электроны в n-базу, что снижает высоту обоих эмиттерных барьеров и создает сильные токи через тиристор, т. о. свет играет роль управляющего электрического сигнала и позволяет бесконтактным способом управлять токами в различных цепях.

Многоэлементные фотоприемники. Если надо преобразовать оптическое изображение, имеющее определенное распределение интенсивности света по плоскости, то используют экран, состоящий из множества миниатюрных ФП, которые преобразуют световые потоки в соответствующие электрические сигналы.

Записанная таким образом оптическая информация сохраняется, а затем считывается. Электрические сигналы от различных ячеек экрана могут быть последовательно переданы в другое место и использованы для воссоздания изображения объекта (фототелеграфия, телевидение).

В ряде систем записи оптических сигналов применяются полупроводниковые устройства, а при считывании информации используют электронный пучок, быстро обегающий миниатюрные фотодетекторы. Использование электронных пучков плохо согласуется с низковольтными полупроводниковыми схемами. Рассмотрим многоэлементные ФП у которых запись, хранение и считывание информации осуществляется одними и теми же твердотельными элементами. В качестве такого элемента может быть использована структура металл-диэлектрик- полупроводник (МДП). Электрическая схема МДП структуры в присутствии напряжения показана на рис. 14.24.

Если к структуре прикладывают напряжение U (- на металле), то часть примесных электронов выводится из полупроводника n-типа, что приводит к появлению слоя + объемного заряда толщиной d. Толщина этого слоя увеличивается с увеличением U. Возникающие при освещении МДП-структуры электроны отводятся в объем полупроводника, а дырки скапливаются у границы с диэлектриком. Число этих дырок (т. е. общий положительный заряд) зависит от интенсивности света и времени его действия. Накопленный заряд (т. е. информация, за-

данная светом) может длительное время сохраниться, если тепловая генерация пар незначительна.

346

На рис. 14.25 изображена цепочка

МДП-структуры, являющейся частью

многоэлементного фоточувствительного экрана.

Ф

l

U=0

U

2U

U

М

1

2

3

4

Д

П

d0

d1

d2

I

II

III

Evs - Ev

qUк

0

Рис. 14.25. Серия взаимодействующих элементов электрической схемы МДПструктуры, к которым приложены различные напряжения. Штриховая линия – граница области пространственного заряда. Evs – E v – глубины потенциальных ям и дырок.

В случае I на структуру не подано внешнее напряжение. Наличие обедненного слоя толщиной d0 связано с контактной разностью потенциалов Uк.

Случай II соответствует случаю, когда присутствует внешнее напряжение и структура освещается через полупрозрачный металлический электрод (затвор). Накопленный за время освещения заряд дырок может быть сдвинут вдоль цепочки структур, если на соседний элемент подано более высокое напряжение.

Случай III. В этом случае глубина потенциальной ямы для дырок больше, и они вследствие диффузии перейдут от второго элемента к третьему. В промежутке между затворами 2 и 3 присутствует ускоряющее дырки поле, которое проникает и в область скопления дырок, поэтому переход дырок к электрону 3 может быть быстрым.

Электрический сигнал от элемента 2, пропорциональный интенсивности Ф и времени действия света, падавшего на этот элемент, может быть проведен по цепочке элементов и выведен во внешнюю цепь. Аналогичным образом могут быть получены видеосигналы от других элементов строки и элементов других строк. Таким образом, микроскопические ФЭ расположены в строке настолько близко (l ≈ 3мкм), что они могут взаимодействовать, передовая друг другу заряды. Отсюда приборы с зарядовой (или объемной) связью. Эта связь между МДПструктурами осуществляется через общую для всех структур толщу полупроводников.

Регистрирующие изображение устройства рассмотренного типа (из МДПэлементов) потребляют малую энергию во время считывания, требуют небольших U (10 – 20 В) и при числе элементов ~1·10-5 см -2 могут иметь хорошую разрешающую способность (140 линий на 1мм).

347

Высокая чувствительность экрана определяется тем, что он работает в условиях накопления светового действия. Так как в чувствительных элементах используются поверхностные барьеры, то облегчается подбор области спектральной чувствительности прибора, путем выбора материала с E ≤ hν . Кремниевые ПЗС имеют срок службы 1·104 ч и регистрируют изображения телескопов.

14.3.2. Фотоэлектронные приборы СВЧ

Среди приборов классической электроники СВЧ особую группу составляют приборы, в которых термоэмиссионный катод заменен на фотокатод. Такие приборы служат для извлечения информации из модулированного светового потока и используются в качестве детекторов и смесителей в оптических системах связи и локации, а также применяются для исследования спектра излучения оптических квантовых генераторов.

В фотодетекторе, состоящем из фоточувствительного катода (нелинейный элемент) и СВЧ колебательной системы, первоначально происходит преобразование светового потока в фототок, т. е. модуляция потока фотонов переходит в модуляцию электронного потока, а затем переменная составляющая тока преобразуется в выходной сигнал. В ряде фотоприемников применяют дополнительное умножение фототока.

Выражение для выходной мощности фотоэмиссионных приборов СВЧ удобно записать в виде

P = 1		m × M × I	0		2		f (ω)		2 R	экв	,	(14.34)
2
где I 0 — средняя составляющая тока на фотокатоде; m = i/Iо —												параметр, характе-

ризующий глубину модуляции; М — коэффициент умножения тока; f(ω) ≤ 1 — функция, определяющая частотную полосу пропускания фотодетектора; Rэкв — эквивалентное сопротивление, величина которого характеризует связь переменной составляющей фототока с внешней нагрузкой. Эквивалентное сопротивление Rэкв является основным параметром любого фотодетектора.

Важной характеристикой фотоэмиссионных детекторов является также квантовая эффективность η 0 катода, т. е. число свободных электронов, образуемых од-

ним фотоном на фотокатоде. Однако останавливаться здесь на рассмотрении квантовой эффективности оптических детекторов не будем, так как эти приборы интересуют нас в первую очередь как СВЧ электронные приборы. Отметим лишь, что разработанные в настоящее время фоточувствительные слои имеют максимальную квантовую эффективность в синей, фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра, в то время как большинство существующих оптических квантовых генераторов работают на частотах красной и инфракрасной областей спектра. Следовательно, в настоящее время использование оптических квантовых генераторов, работающих в диапазоне 50 — 5 000 А0 , и создание фоточувствительных слоев с более высокой «красной границей» являются одним из основных направлений повышения эффективности фотодетекторов, работа которых основана на внешнем фотоэффекте.

Большинство фотоэмиссионных приборов СВЧ могут быть использованы как в режиме демодуляции, так и в режиме оптического гетеродинирования. Если на вход фотодетектора поступает световой поток, промодулированный по ин-

348

тенсивности на частоте ω, то на фотокатоде образуется фототок, средняя величина которого I 0 = фη 0 e пропорциональна квантовой эффективности η 0 (φ

—световой поток в фотонах в секунду, е— заряд электрона).

Врежиме гетеродинирования, когда на фотокатод поступают оптический

сигнал с несущей ωс и сигнал от местного генератора на частоте ωг, на поверхности фотокатода возникают биения двух когерентных сигналов, приводя, в частности, к появлению разностной частоты ωс— ωг. Амплитуда переменной составляющей фототока в этом случае на частоте ωс— ωr равна 2 Ic Ir , где Iс и Iг

— средние значения фототоков, возникших соответственно под действием внешнего сигнала и светового потока от местного гетеродина.

При оптическом гетеродинировании возможно получение более высоких значений постоянной составляющей фототока и тем самым достижение более высокого уровня выходной мощности фотодетектора. Оптическое гетеродинирование позволяет увеличивать отношение сигнал/шум, делая фотоприемник более чувствительным, и повышает его разрешающую способность.

Весь большой класс существующих в настоящее время фотоэмиссионных приемников по аналогии с обычными СВЧ приборами можно разбить на две основные группы: приборы резонансного типа (узкополосные) и нерезонансного типа (широкополосные). Приборы типа фотоэлектронных умножителей принято выделять в отдельную группу.

Фотоэмиссионные приборы СВЧ резонансного типа

Типичным представителем группы приборов резонансного типа является фотоклистрон, схема подобного прибора представлена на рис. 14.26. К основным элементам фотоклистрона относятся фотокатод, который при воздействии на него модулированного по интенсивности светового сигнала создает модулированный по плотности электронный поток, и проходной резонатор, настроенный на частоту модуляции. Фотоклистрон явился исторически первым фотоэлектронным СВЧ прибором, с помощью которого было исследовано фотосмещение двух оптических сигналов.

Расчёт высокочастотных Процессов в фотоклистроне сводится к ранее рассмотренному анализу возбуждения резонатора заданным током. При достаточно высокой добротности резонатора эквивалентное сопротивление Rэкв фотоклистро-

349

на может достигать порядка нескольких сотен Ом. Это позволяет создать на базе фотоклистрона сравнительно высокочувствительные приемники оптических сигналов. Основной недостаток таких фотоприемников, ограничивающий их применение в оптических системах связи — узкополосность. Рабочая полоса частот может быть расширена только за счет уменьшения Rэкв, что, в конечном счете, ведет к резкому ухудшению чувствительности приемника.

Схема прибора резонансного типа, названного СВЧ фотодиодом, показана на рис. 14.27. Катод, представляющий собой участок сферической поверхности, покрытой фоточувствительным слоем, является частью электронной пушки, фокусирующей электронный поток. Область взаимодействия потока электронов с электромагнитным полем образована срезанными вершинами двух полых конусов, которые являются элементами волновода. Эквивалентное сопротивление такого прибоpa достигает порядка 200 Ом. СВЧ фотодиод был использован при изучении процесса фотосмешения аксиальных типов колебаний импульсных квантовых генераторов. В результате квадратичного детектирования биений между аксиальными типами колебаний ток фотоэмиссии был промодулирован по плотности СВЧ сигналом. В волноводе, возбуждаемом этим током, наблюдалось СВЧ излучение на частотах 8,2 и 10,28 ГГц.

Вкачестве узкополосного фотоприемника может быть использована ЛОВ,

вкоторой термоэлектронный катод заменен на фотокатод. Этот прибор привлекателен тем, что в нем может быть достигнут сравнительно высокий уровень выходной мощности.

Фотоэлектронные умножители

Хорошо известными приборами для демодуляции амплитудномодулированных световых сигналов являются электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые состоят из фотокатода и нескольких каскадов электронного умножения — динодов с вторичной электронной эмиссией. Диноды умножительной секции ФЭУ могут быть как отражательного типа, так и проходного. Фотоэлектронные умножители характеризуются большим умножением фототока (105— 10 7 раз), что обусловливает их высокую чувствительность. К сожалению, применение электростатических ФЭУ ограничено частотами модуляции порядка нескольких сотен мегагерц. Это связано с тем, что на высоких частотах эквивалентное сопротивление RЭKB электростатического ФЭУ сильно уменьшается из-за влияния времени пролета электронов между динодами. В фотоэлектронных умножителях с проходными динодами, выполненными в виде тонких пленок, эффекты времени пролета сказываются слабее, чем в ФЭУ с отражательными диодами.

К детектирующим устройствам типа фотоумножителей, способным работать в широкой полосе частот (вплоть до СВЧ диапазона), относятся динамические фотоэлектронные умножители со скрещенными

полями. Устройство динамического ФЭУ со скрещенными полями показано на

350
рис. 14.28. Между электродами P1 и Р2 действуют	два	пространственно-

однородных поля: высокочастотное электрическое поле E 0 cos(ωt)и постоянное магнитное поле H. Электрод P1 имеет покрытие с большим коэффициентом вто-

ричной эмиссии.

Чтобы пояснить принцип работы этого прибора, рассмотрим движение отдельного электрона, который в начальный момент времени находится на плоскости Р1 в точке x0 (см. рис. 14.28.). Пусть полярность электрического поля, приложенного между электродами P1 и Р2 , в начальный момент времени такова, что электрон начинает ускоренно двигаться в направлении плоскости Р2 .

Под действием постоянного магнитного поля H траектория электрона будет искривляться. Если магнитное поле H направлено так, как показано на рис. 14.28, то электрон закручивается по направлению движения часовой стрелки. Величину напряженности магнитного поля можно подобрать такой, что поворот электрона под действием магнитного поля к плоскости P1 совпадет с изменением направления высокочастотного электрического поля. Тогда электрон будет увеличивать свою кинетическую энергию за счет энергии поля E 0 . Падение электрона на плос-

кость P1 в точке x1 приводит к появлению вторичных электронов. К этому момен-

ту времени электрическое поле вновь меняет свою полярность и процесс повторится, но уже с большим количеством электронов.

Основная особенность рассмотренной умножителъной системы заключается в наличии фазовой группировки электронов, если частоты CВЧ сигнала и электрического поля E 0 cos(ωt) лежат в одном диапазоне. Из анализа уравнений движения

электронов в такой системе следует, что электроны, покидающие электрод P1 в

самых различных фазах, группируются до возвращения на этот электрод. С каждым циклом умножения фазовая группировка электронов улучшается.

Известны эксперименты, в которых динамический ФЭУ со окрещенными полями использовались для детектирования светового потока, промодулированного СВЧ сигналом в диапазоне 3 ГГц. Исследования показали, что можно получить коэффициент усиления по току порядка 105 и Rэкв~100 Ом. Метод динамического умножения обеспечивает чувствительность и отношение сигнал/шум как и у обычных электростатических ФЭУ, но на более высоких частотах.

Широкополосные фотоэмиссионные приборы СВЧ

Так как световой когерентный луч может нести огромный объем информации, то вполне естественно, что особое внимание уделяется широкополосным фотодетекторам. Наиболее простой по конструкции широкополосный фотоприемник — вакуумный фотоэлемент

Рис. 14.29.Плоский фотодиод, помещенный в волновод.