Микроволновые фотоэлектрические свойства двухэлектродных полупроводниковых структур
На правах рукописи
Шибаев Станислав Сергеевич
Микроволновые фотоэлектрические свойства двухэлектродных полупроводниковых структур
Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог 2006
Работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники
Таганрогского государственного радиотехнического университета
Научный руководитель – заслуженный деятель науки и техники РФ, действительный член РАИН, доктор физико-математических наук, профессор Малышев В.А.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Балим Г.М. (Таганрогский государственный радиотехнический университет, г. Таганрог)
кандидат технических наук, ведущий инженер Лебедев В.К.
(ФГУП РЗ «Прибор», г. Ростов-на-Дону)
Ведущая организация: ФГУП «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог
Защита состоится « » 2006 г.
в часов на заседании диссертационного совета Д 212.259.04 в Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко 2,
ауд. Е-306.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан « » 2006 г.
Ученый секретарь к.т.н., доцент
диссертационного совета И.Б. Старченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Появление и широкое развитие оптических систем связи, оптоволоконное управление фазированными антенными решетками, а также бурное развитие монолитных интегральных схем СВЧ диапазона, в том числе с оптическим управлением, заставляет подробно исследовать те физические процессы взаимодействия модулированного света и носителей заряда в полупроводниковых структурах, которые определяют работу этих систем. И, хотя в основе этих физических процессов лежат явления световой генерации носителей, с одной стороны, и их рекомбинация - с другой, эти явления, особенно в теоретическом плане, исследованы недостаточно полно.
Все более возрастающий интерес приобретает оптическое управление полупроводниковыми приборами в СВЧ диапазоне. Развитие интегральной технологии, волоконной и интегральной оптики, а также появление инжекционных лазеров открыло новые возможности, и в настоящее время такие приборы выполняют функции модуляции, переключения, усиления, управление фазой и т.д. Оптическое управление полупроводниковыми СВЧ приборами обеспечивает ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами. Наиболее важными из них является высокая степень развязки СВЧ тракта от цепей постоянного тока, что обеспечивает широкую полосу рабочих частот, короткое время фотоотклика, определяющее быстродействие и высокие модуляционные способности, совместимость с волоконно-оптической и интегрально-оптической технологией, позволяющая повысить технические характеристики, а также значительно снизить себестоимость.
В последние годы появился ряд публикаций, посвященных вопросам практического применения микроволновых устройств с оптическим управлением. Зарубежные фирмы и институты заявляют о создании как пассивных СВЧ устройств (фазовращателей, коммутаторов), так и активных приборов с оптическим управлением, в частности, оптически управляемых ФАР и АФАР, объемных интегральных СВЧ схем. В этих публикациях основное внимание уделяется принципам построения устройств, их конструкции и технологии изготовления, вопросам их применения, и практически совсем не описываются теоретические модели. Это и определяет актуальность данной работы, посвященной теоретическому и экспериментальному исследованию вопросов взаимодействия света, в частности, модулированного микроволнами и микроволнового поля в полупроводниковых фотоприемных устройствах с учетом ряда особенностей генерационно-рекомбинационных процессов.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование влияния генерационно-рекомбинационных процессов на параметры однородных по структуре и диодных полупроводниковых структур, способных работать в микроволновом диапазоне длин волн, при воздействии на эти структуры амплитудно-модулированного (АМ) света совместно с постоянным и высокочастотным переменным электрическими полями, а также экспериментальное исследование ряда свойств полупроводниковых приборов при таком фотоэлектрическом воздействии.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка аналитической модели взаимодействия АМ оптического излучения и ВЧ поля в полупроводниковых структурах, а также модели учета зависимости параметров рекомбинации носителей от их скорости и методов определения этих параметров.
2. Теоретическое исследование влияния генерационно-рекомбинационных процессов при взаимодействии АМ света и ВЧ поля на параметры объема полупроводника и на его частотно-преобразовательные свойства при бигармоническом воздействии с учетом и без учета явлений разогрева носителей в сильном электрическом поле.
3. Построение теории управляемой светом микроволновой проводимости полупроводника с омическими контактами при учете влияния переменного объемного заряда в предположении известной объемной проводимости.
4. Разработка аналитической модели воздействия оптического излучения на слой умножения лавинно-пролетного диода (ЛПД), оценка результатов такого воздействия на СВЧ комплексную проводимость ЛПД, а также теоретическое исследование частотно-преобразовательных свойств диодных структур (ЛФД и p-i-n ФД) при приеме АМ света и при наличии ВЧ поля.
5. Анализ воздействия генерационно-рекомбинационных процессов на работу автоколебательной системы на ЛПД (автогенерация, регенеративное усиление частоты модуляции света и синхронизация ею генератора).
6. Экспериментальное исследование преобразовательных свойств приборов с лавинным умножением и p-i-n фотодиодов при приеме АМ света и определение рекомбинационных параметров полупроводников.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведено теоретическое исследование взаимодействия АМ света с высокочастотным полем в объеме полупроводника и в диодных структурах с учетом зависимости рекомбинационных параметров от скорости носителей и электрического поля и предложены методы определения этих параметров.
2. Впервые в рамках локально-полевого приближения проведен анализ влияния АМ света и постоянного и СВЧ полей на микроволновую проводимость и ток в объеме однородного полупроводника с учетом зависящей от электрического поля рекомбинации носителей, а также с учетом разогрева носителей в постоянном и СВЧ полях. Получены зависимости компонент тока и микроволновой проводимости от параметров такого воздействия.
3. Предложена теоретическая модель влияния генерационно-рекомбинационных процессов на активную область ЛПД. Получены соотношения для расчета оптически управляемой комплексной электронной проводимости ЛПД.
4. Проведен теоретический анализ преобразовательных свойств диодных структур при приеме АМ света.
5. Предложен алгоритм расчета оптимизированного по выходной мощности оптически управляемого автогенератора на ЛПД, а также дана теория нелинейного регенеративного усиления частоты модуляции света и синхронизации автогенератора на ЛПД этой частотой.
6. Проведено экспериментальное исследование преобразовательных свойств ЛФД и p-i-n ФД при приеме АМ света. Проведено экспериментальное определение рекомбинационных параметров в CdSe.
Практическая значимость полученных в работе результатов:
1. Полученные решения позволяют проводить расчет объемных полупроводниковых микроволновых устройств с оптическим управлением.
2. Полученные результаты позволяют оценивать и оптимизировать характеристики СВЧ устройств на активных диодах с оптическим управлением.
3. Показано, что диодные структуры с лавинным умножением могут с успехом применяться в системах приема модулированных оптических сигналов, в частности, с преобразованием частоты модуляции.
4. Результаты работы внедрены в НИР “Марьяж” (г.Баку), НИР “Горожанка-Т” (г.Таганрог), в учебном процессе ТРТУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическая модель учета генерационно-рекомбинационных процессов в полупроводниковых приборах при воздействии АМ света, постоянного и СВЧ полей с учетом зависимостей поперечного сечения рекомбинации от скорости носителей и электрического поля и результаты расчета рекомбинационных параметров в конкретных полупроводниках.
2. Локально-полевая модель влияния разогревных и генерационно-рекомбинационных процессов на объемную комплексную микроволновую проводимость и частотно-преобразовательные свойства объема полупроводника.
3. Диффузионно-дрейфовая модель оптически управляемой полной микроволновой комплексной проводимости объема полупроводника.
4. Результаты теоретического исследования воздействия оптического излучения на параметры и характеристики ЛПД и исследования преобразовательных свойств диодных структур (ЛФД и p-i-n ФД).
5. Результаты теоретического исследования влияния генерационно-рекомбинационных процессов на параметры и характеристики ЛПД-автогенератора с оптическим управлением, регенеративного усилителя частоты модуляции света и синхронизованного этой частотой генератора.
6. Результаты экспериментального исследования преобразовательных свойств диодных структур при приеме модулированных по интенсивности оптических сигналов и экспериментального определения рекомбинационных параметров в CdSe.
Реализация результатов работы. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты нашли практическое применение в научно-исследовательских работах лаборатории «Оптоэлектроники» ТРТУ, отдела функциональной электроники ОКБ космического приборостроения Азербайджанского Национального Аэрокосмического Агентства (г.Баку), используются в научных исследованиях и учебном процессе при подготовке студентов кафедры радиотехнической электроники в Таганрогском государственном радиотехническом университете.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на следующих конференциях:
- VII международная крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии, сентябрь, г.Севастополь, Украина, 1997 г.;
- VIII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2002», Дивноморское, сентябрь 2002 г.;
- Всероссийская конференция “Излучение и рассеяние ЭМВ” ИРЭМВ-2001, ТРТУ, Таганрог, июнь 2001 г.;
- Международная научно-техническая конференция “Оптика, оптоэлектроника и технологии”, Ульяновск, июнь, 2001 г.;
- Международная научно-техническая конференция «Оптика полупроводников 2000», Ульяновск, июнь 2000 г.;
- VII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2000», Дивноморское, сентябрь 2000 г.;
- VI международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское,
сентябрь, 1999 г.;
- III международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика-ХХ1 век», Зеленоград, ноябрь 2000 г.
- V международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское,
6-11 сентябрь, 1998 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из них 10 статей и 17 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 145 страницах (без приложений) и включает 64 рисунка и 105 наименований отечественной и зарубежной литературы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертационной работы.
Первый раздел носит постановочный характер - рассмотрена фотопроводимость полупроводникового образца в отсутствии переменного электрического поля при воздействии постоянной засветки. При этом общий вид уравнения кинетики генерационно-рекомбинационных процессов для носителей какого-либо одного знака (например, электронов) имеет вид:
, (1)
где 
- скорость тепловой генерации носителей, 
- скорость их световой генерации, а 
- интенсивность рекомбинационных процессов, 
- интенсивность падающего на полупроводник света. Причем 
(
- квантовая эффективность, 
- коэффициент отражения света от поверхности полупроводника, 
– скорость света, 
- его длина волны, 
- коэффициент поглощения света).
Скорость рекомбинации при квадратичном ее характере определяется выражением:
, (2)
где n и p – концентрации электронов и дырок, 
- поперечное сечение процесса рекомбинации, 
- тепловая скорость носителей, 
- напряженность постоянного электрического поля, причем зависимость подвижности 
от поля характеризует эффект насыщения дрейфовой скорости в сильных полях (
- величина поля насыщения, 
- суммарная подвижность электронов и дырок в отсутствии поля). Т.к. сечение рекомбинации 
, в общем случае, зависит от полной постоянной средней скорости носителей 
и ряд работ по экспериментальному определению зависимости этого параметра от скорости носителей в некоторых полупроводниках (Шокли, Ван Русбрек) предлагают конкретную зависимость 
, то для учета этой зависимости при аналитическом рассмотрении генерационно-рекомбинационных процессов предложено использовать аппроксимацию:
, (3)
где 
и 
- параметры аппроксимации (рекомбинационные параметры).
В этом же разделе приведены результаты расчета параметров рекомбинации на основе известных экспериментальных зависимостей 
в Ge и CdS. Предложены методы экспериментального определения зависимости 
по измерению статической вольтамперной характеристики полупроводникового образца при облучении его постоянным и модулированным по амплитуде (АМ) световым потоком с известными параметрами.
Во втором разделе рассматриваются фотоэлектрические микроволновые свойства однородного полупроводника. Основой физической модели служит уравнение непрерывности, которое в локально-полевом приближении для носителей какого-либо одного знака (в случае собственного поглощения света концентрация избыточных дырок 
равна концентрации избыточных электронов 
) имеет вид:
, (4)
в котором учтено, что поглощение света происходит в направлении, перпендикулярном направлению электрического поля и тока (поле и ток считаются равномерными по длине образца, 
- скорость рекомбинации, 
- переменная составляющая интенсивности.
Скорость рекомбинации 
в переменном поле равна 
, где n и p – концентрации электронов и дырок, 
- сечение рекомбинации, 
и 
- подвижности в постоянном и переменном поле, соответственно (
- напряженность постоянного электрического поля, 
- переменная составляющая напряженности электрического поля,).
С учетом зависимости сечения рекомбинации 
от скорости носителей, определенной в первом разделе, коэффициент рекомбинации в переменном поле имеет вид:
, (5)
Уравнение (4) принимает при этом (в приближении 
) вид:
. (6)
Решение этого уравнения позволяет определить величины концентрационных составляющих, дающие вклад в полный спектр тока однородного полупроводника.
Рассчитанные для собственного кремния зависимости компонент микроволновой комплексной удельной проводимости 
от величины постоянного поля 
при различных величинах интенсивности света 
приведены на рис.1.
| объемная микроволновая проводимость полупроводника | |
 |  |
| Рис.1 | |
На рис.2 показаны зависимости от 
и 
плотности тока разностной частоты (
), характеризующей преобразовательные свойства объема полупроводника, определяемые в основном параметрическим взаимодействием при частичном проявлении рекомбинационной нелинейности.
На достаточно высоких частотах, когда период колебаний соизмерим с временами релаксации средней энергии 
(
) и квазиимпульса p (
) носителей, процессы разогрева носителей начинают управляться внешним полем, что, естественно, отражается на микроволновой объемной проводимости полупроводников.
Времена релаксации зависят от энергии 
по закону 
, 
, где 
- энергия
| плотность тока разностной частоты в объеме полупроводника | |
 |  |
| Рис.2 | |
кристаллической решетки, s и q – целые и полуцелые числа, определяемые конкретным механизмом рассеяния (например, в наиболее распространенном случае для обычных температур - рассеянии на акустических фононах: 
, 
).
Физической моделью в данном случае служит система уравнений разогрева и дрейфа:
, 
, 
, (7)
где 
и 
– заряд и эффективная масса носителей. Результатом решения системы (7) методом гармонического баланса, когда 
;
; 
, с учетом генерационно-рекомбинационных процессов в виде (в случае квадратичной рекомбинации) 
; (
), являются соотношения, которые позволяют при известных механизмах рассеяния носителей в данном конкретном полупроводнике, строго определить его параметры с целью использования его в монолитных микроволновых интегральных схемах с оптическим управлением.
На рис.3 представлены частотные зависимости активной 
и реактивной 
составляющих оптически управляемой удельной проводимости, а также зависимости их от постоянного поля 
при различных интенсивностях оптической засветки 
.
В этом же разделе в рамках диффузионно-дрейфового приближения с учетом влияния поля 
пространственного заряда рассмотрена полная проводимость полупроводника конечных размеров, ограниченного по длине омическими контактами.
| микроволновая объемная проводимость полупроводника с учетом разогрева носителей | |
 |  |
 |  |
| Рис.3 | |
Анализ построен на учете полученных ранее значений 
и 
и на решении уравнений непрерывности
и Пуассона 
(D – коэффициент диффузии, 
- объемная плотность заряда, 
- абсолютная диэлектрическая проницаемость, 
- скорость дрейфа) с граничными условиями и последующим определением наведенного тока.
В третьем разделе проводится анализ воздействия генерационно-рекомбинационных процессов на параметры диодных структур (в том числе с лавинным умножением).
В первой части даются результаты анализа влияния облучения на СВЧ комплексную проводимость лавинно-пролетного диода (ЛПД). В качестве физической модели рассматривается ридовская структура ЛПД, в активной области которого происходят процессы, вызванные не только лавинным размножением носителей, но и их оптической генерацией. На основе решения уравнений непрерывности для носителей обоих типов:
; (8)
, (9)
где 
; 
- скорости постоянной и переменной световой генерации носителей; 
- интенсивность лавинного умножения носителей (
- коэффициент лавинной ионизации носителей, который мы считаем одинаковым (средним) для электронов и дырок); 
- скорость тепловой генерации носителей; 
- интенсивность рекомбинационных процессов; 
– плотность полного тока, получены соотношения для расчета оптически управляемой комплексной электронной проводимости ЛПД 
, годограф которой при отсутствии и наличии засветки приведен на рис.4.
| годограф полной проводимости ЛПД |
 |
| Рис.4 |
Видно, что активная компонента комплексной электронной проводимости ЛПД при изменении интенсивности света 
меняется довольно существенно, причем следует отметить не только абсолютное снижение максимума частотной зависимости 
, но и смещение этого максимума в область более высоких частот. Показано, что ввиду питания ЛПД источником с бесконечно большим внутренним сопротивлением (“источник тока”), воздействие оптического излучения приводит к снижению постоянного напряжения 
(или напряженности постоянного поля в слое умножения) на диоде (рис.5), что снижает интенсивность лавинных процессов, лавина становится менее инерционной – угол 
отставания лавинного тока от переменного напряжения в слое умножения снижается (рис.5), она смещается в область ускоряющего СВЧ поля и отбирает от него энергию, что и приводит к снижению 
и смещению ее максимума в область более высоких частот. Цифры на рис.5 соответствуют кремниевому ЛПД средней мощности сантиметрового диапазона.
| влияние облучения на постоянное напряжение на ЛПД и фазовое запаздывание лавинного тока диода | |
 |  |
 |  |
| Рис.5 | |
Влияние же оптического облучения на реактивную составляющую комплексной электронной проводимости 
не велико (рис.4). Это объясняется тем, что основной вклад в реактивную составляющую полной проводимости ЛПД вносит емкостная проводимость, определяемая величиной емкости пролетной области, и в меньшей степени процессы в лавинной и пролетной областях.
Во второй части раздела проведен анализ преобразовательных свойств лавинного фотодиода (ЛФД) при приеме модулированного по интенсивности света 
при наличии в переходе диода суммы постоянной и переменной составляющих напряженности электрического поля 
. Решение уравнений (8) и (9) дает возможность рассчитать полный спектр тока через диод и выделить из него интересующую нас в данном случае компоненту разностной частоты 
. На рис.6 приведены расчетные зависимости амплитуды плотности тока разностной частоты 
от амплитуды переменного электрического поля на переходе 
при различных амплитудах 
переменного светового потока и, наоборот, от 
при разных 
, позволяющие определить основные параметры преобразовательного режима ЛФД и оптимизировать их.
| плотность тока разностной частоты ЛФД в режиме преобразования | |
 |  |
 |  |
| Рис.6 | |
В третьей части раздела изложена основанная на материалах раздела 2 теория преобразовательных свойств p-i-n фотодиода. Из этой теории, в частности, следует весьма невысокий коэффициент преобразования, вызванный той зависимостью 
от Е, которая принята во внимание для случая p-i-n фотодиода впервые в этой работе. Если эту зависимость не учитывать, то коэффициент преобразования будет равен нулю, так как даже параметрического преобразования в данном случае не происходит ввиду практического отсутствия заметной зависимости обратного тока диода от обратного напряжения. Зависимости для p-i-n фотодиода, аналогичные предыдущему случаю, приведены на рис.7.
Четвертый раздел посвящен теоретическому исследованию оптически управляемого генератора на ЛПД (ГЛПД), работающего в режимах автогенерации, регенеративного усиления частоты модуляции света и синхронизации ГЛПД этой частотой.
| плотность тока разностной частоты p-i-n ФД | |
 |  |
 |  |
| Рис.7 | |
На основе обобщенной схемы оптически управляемого ГЛПД (рис.8), на которой изображен ЛПД, обладающий комплексной электронной проводимостью 
, подключенный к резонатору, представленному параллельным контуром с параметрами 
, 
и проводимостью потерь 
, 
- ток внешнего возбуждения (фототок с амплитудой 
), пропорциональный амплитуде переменной интенсивности света: 
(причем при 
, 
также равен нулю), 
,
| эквивалентная схема ОГЛПД |
 |
| Рис.8 |
путем решения дифференциального уравнения для этой схемы
, (10)
методом медленно меняющихся амплитуд получены укороченные уравнения в виде:
; (11)
, (12)
где: 
, 
.
Полученные уравнения являются основой анализа оптически управляемого ГЛПД в различных режимах.
1) Режим свободной генерации при воздействии постоянного света, т.е. при 
. При этом из стационарного варианта (
) уравнений 12 и 13 следуют классические выражения для баланса амплитуд и фаз: 
; 
, которые совместно с полученными в третьем разделе выражениями для компонент комплексной электронной проводимости ЛПД 
и 
позволяют определить амплитуду 
и частоту 
колебаний автогенератора в стационарном режиме.
зависимость  | |
 |  |
| теория | эксперимент |
| Рис.9 | |
На рис.9 приведены теоретические, полученные в рамках данной работы, зависимости выходной мощности 
от величины интенсивности воздействующего оптического излучения 
при различных величинах проводимости потерь 
в резонаторе (однозначно связанной с добротностью колебательной системы) и аналогичные, имеющиеся в литературе (Kiehl R.A. Optically induced AM and FM in IMPATT diode oscillator. IEEE Trans., 1980, v.ED-27, №2, pp.426-432), экспериментальные зависимости при различных величинах добротности 
резонансной системы. Видно качественное соответствие теоретических и экспериментальных данных.
В рамках данного рассмотрения предложен алгоритм расчета оптимизированного по выходной мощности ЛПД автогенератора с оптическим управлением.
2) Режим регенеративного усиления частоты модуляции света и синхронизации этой частотой генератора на ЛПД.
Решая стационарный вариант соотношений (11) и (12) относительно 
и 
, а затем, возводя в квадрат и почленно складывая результаты, получено уравнение:
. (13)
На основе известного из раздела 3 вида функций 
и 
, из (13) получено уравнение для анализа амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) усилителей, работающих в нелинейном режиме, и синхронизованных автогенераторов. На рис.10 приведена рассчитанная АЧХ усилителя на ЛПД, при различных величинах степени возбуждения 
, где 
- проводимость 
ЛПД при 
.
| АЧХ усилителя на ЛПД |
 |
| Рис.10 |
В этом же разделе получено выражение для расчета полосы синхронизации синхронизованного внешним АМ оптическим сигналом ГЛПД.
Пятый раздел посвящен экспериментальному исследованию ряда фотоэлектрических свойств полупроводниковых приборов.
Применительно к учитываемым в данной работе генерационно-рекомбинационным процессам, описанию и методике определения которых посвящен первый раздел, экспериментально были получены зависимости времен жизни носителей заряда в собственном CdSe от температуры. Измерения проводились для трех различных образцов фоторезисторов одного и того же типа. На рис.11а) представлены полученные таким образом зависимости и результат усреднения по трем образцам.
| Результаты определения рекомбинационных параметров в CdSe | |
 |  |
а)  | б)  |
| Рис.11 | |
Используя полученную зависимость 
, с учетом выражения 
, а также того, что 
(
- эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне) и 
при 
эВ (для CdSe), обозначая 
, можно получить зависимость
,
результаты расчета которой представлены на рис.11б).
В работе проводилось также экспериментальное исследование преобразовательных свойств диодных структур, а именно ЛФД и p-i-n ФД.
На исследуемые диоды подавалось как постоянное напряжение смещения, равное 25 В, так и переменное (сигнал гетеродина) с амплитудой 
. Приборы находились под воздействием АМ света. Частота гетеродина равнялась 
МГц, а частота модуляции света была 
МГц. Регистрировался при этом сигнал разностной (промежуточной) частоты на 90 МГц.
В ходе эксперимента в обоих случаях снимались зависимости амплитуды сигнала разностной комбинационной частоты (
) от амплитуды сигнала гетеродина (
) и от амплитуды сигнала прямого детектирования 
, которая пропорциональна амплитуде модуляции интенсивности АМ света.
Результаты измерения зависимостей 
=f(
) при различных 
приведены для ЛФД на рис.12а. Из этих зависимостей по некоторым точкам (
=100 мВ; 
=200 мВ; 
=300 мВ) были получены зависимости 
=f(
) (рис.12б).
| Результаты экспериментального исследования приема АМ света на ЛФД в режиме преобразования | |
 |  |
а)  =f( ) | б)  =f( ) |
| Рис.12 | |
Видно, что экспериментальные зависимости качественно согласуются с полученными в теоретической части раздела 3.
Из рисунков видно, что эффективность преобразования превышает единицу при превышении амплитуды напряжения гетеродина некоторой величины, что дает возможность применять лавинные ФД в гетеродинных фотоприемниках не только с повышенной многоканальностью и широкополосностью, но и с большей чувствительностью в сравнении с приемниками прямого фотодетектирования.
На рис.13 даны полученные в данной работе аналогичные экспериментальные зависимости для случая p-i-n фотодиода. Видно, что коэффициент преобразования в этом случае на 2 порядка меньше, чем в случае ЛФД, что подтверждает выводы теории. В то же время этот коэффициент отличен от нуля, что также подтверждает необходимость учета тех особенностей генерационно-рекомбинационных процессов, которые в данной работе впервые принимаются во внимание при анализе фотоприема.
| Результаты экспериментального исследования преобразовательного режима при приеме АМ света p-i-n фотодиодом | |
 |  |
а)  =f( ) | б)  =f( ) |
| Рис.13 | |
В заключении приведены основные результаты выполненных исследований и выводы по работе.
В приложении приведен обзор имеющейся литературы по теме диссертации, программы расчетов и акты внедрения результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:
1. На основе приведенных в литературе и полученных в рамках данной работы зависимостей сечения рекомбинации носителей (либо времени жизни) от температуры рассчитаны зависимости рекомбинационных параметров от скорости носителей.
2. В рамках локально-полевой модели проведен анализ воздействия облучения и генерационно-рекомбинационных процессов на ток и микроволновую проводимость объема однородного полупроводника. Получены соотношения для расчета оптически управляемой объемной и полной микроволновой проводимости с учетом разогрева носителей в электрическом поле.
3. Проведен анализ влияния облучения и генерационно-рекомбинационных процессов на параметры лавинных диодов. Получены соотношения для расчета комплексной проводимости ЛПД при таком воздействии. Проведено теоретическое исследование преобразовательных свойств диодных структур.
4. Получены результаты теоретического исследования влияния оптического облучения на характеристики ЛПД генератора. Выявлено уменьшение мощности генератора с увеличением интенсивности засветки. Показано, что полученный результат согласуется с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Предложена методика проектирования оптимизированных по выходной мощности ЛПД-автогенераторов с оптическим управлением.
5. В рамках метода медленно меняющихся амплитуд получены соотношения для расчета АЧХ регенеративного усилителя сигнала частоты модуляции модулированного по интенсивности света на ЛПД и полосы синхронизации ЛПД-генератора этим сигналом.
6. Проведено экспериментальное исследование преобразовательных свойств диодов с лавинным умножением и p-i-n фотодиодов при приеме АМ света. Показано их соответствие теоретическим результатам. Экспериментально определена зависимость рекомбинационных параметров в CdSe от скорости носителей.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Малышев В.А., Шибаев С.С. Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на комплексную электронную проводимость лавинно-пролетных диодов. – Радиотехника, №10, 2005 г., с.21-24.
2. Малышев В.А., Шибаев С.С. Теория объемной СВЧ и КВЧ проводимости полупроводников. - ЖЭДТ (Журнал электродинамики и техники СВЧ, КВЧ и оптических частот), №3 (35), т.10, 2002 г., с.242-245.
3. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Теория высокочастотной фотопроводимости полупроводников с линейной варьируемой полем рекомбинацией и с учетом реакции комплексной нагрузки. - Сб. Известия ТРТУ, 2000 г., № 1, с.66-68.
4. Шибаев С.С. Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на ток в слое умножения лавинных приборов. - Сб. Известия ТРТУ, 2000 г.,
№ 3(17), с.78-81.
5. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Определение зависимости поперечного сечения рекомбинации носителей заряда от их скорости. – Международная научно-техническая конференция «Оптика полупроводников 2000», Ульяновск, 19 –24 июня 2000 г., с.111.
6. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Параметры рекомбинации носителей заряда в германии и сернистом кадмии. - Международная научно-техническая конференция «Оптика полупроводников 2000», Ульяновск, 19 –24 июня 2000 г., с.112.
7. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С. Анализ нелинейного воздействия амплитудно-модулированного света с постоянным и переменным электрическими полями в объеме фотоприемника. - Международная научно-техническая конференция «Оптика полупроводников 2000», Ульяновск, 19 –24 июня 2000 г., с.113.
8. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Методика определения параметров аппроксимации зависимости поперечного сечения рекомбинации носителей от их скорости. - Седьмая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2000», Дивноморское, 17-22 сентября 2000г., с.115-117.
9. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Нелинейная теория взаимодействия амплитудно-модулированного света и поля в полупроводниковых фотоприемниках. - Третья международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика-ХХ1 век», Зеленоград, 22-24 ноября 2000г., с.80-81.
10. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Нелинейное взаимодействие амплитудно-модулированного света и поля в слое лавинного умножения полупроводниковых фотоприемников. - Третья международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика-ХХ1 век», Зеленоград, 22-24 ноября 2000г., с.82.
11. Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Методы определения зависимости поперечного сечения рекомбинации носителей заряда в фотоприемниках от скорости носителей. - Седьмая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2000», Дивноморское, 17-22 сентября 2000 г., с.118-120.
12. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С. Квазилинейный анализ взаимодействия амплитудно-модулированного света с постоянным и переменным электрическими полями в объеме фотоприемника. - Седьмая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2000», Дивноморское, 17-22 сентября 2000 г., с.121-123.
13. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С., Филь К.А. К теории регенеративного микроволнового фотоприема на диоде Ганна. - Всероссийская конференция “Излучение и рассеяние ЭМВ” ИРЭМВ-2001, Таганрог, Россия, июнь 18-23, 2001, с.273-275.
14. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С., Филь К.А. Феноменологическая теория микроволновой объемной проводимости полупроводников с учетом влияния на время релаксации квазиимпульса носителей заряда разогрева их полем. - Всероссийская конференция “Излучение и рассеяние ЭМВ” ИРЭМВ-2001, Таганрог. Россия, июнь 18-23, 2001, с.276-278.
15. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С. Приближенная нелинейная теория взаимодействия амплитудно-модулированного света с постоянным и переменным электрическими полями в объеме фотоприемника. - Сб. Известия ТРТУ, № 1, 2001 г., с.86-89.
16. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Определение зависимости поперечного сечения рекомбинации носителей заряда от их скорости и энергии в Ge и CdS. - Известия ТРТУ № 1, 2001 г., с.90.
17. Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С. Об учете влияния генерационно-рекомбинационных процессов на работу полупроводниковых приборов. - Международная научно-техническая конференция “Оптика, оптоэлектроника и технологии”, Ульяновск, 25-29 июня, 2001, с. 34.
18. Таранович А.В., Шибаев С.С. Активные фотоприемные устройства.- Седьмая международная крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Украина, 15-18 сентября 1997г., т.1, с.419.
19. Малышев В.А., Супрунова Е.Ф., Шибаев С.С., Филь К.А. Регенеративный фотоприем на диоде Ганна. - Сб. Известия ТРТУ № 1, 2002 г., с.62-65.
20. Шибаев С.С. Теория микроволновой проводимости полупроводников конечных размеров.- Сб. Известия ТРТУ № 1, 2002 г., с.66.
21. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Анализ спектра тока фотодиодного преобразователя микроволновой частоты модуляции света с учетом влияния гетеродина на рекомбинационные процессы в диоде. - Восьмая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-2002», 17-22 сентября 2002 г., Дивноморское, с.112-114.
22. Таранович А.В., Шибаев С.С. Полупроводниковые фотоприемные устройства. - Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов, Таганрог, октябрь 1997 г., с.27.
23. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Определение комплексной проводимости полупроводников при наличии переменного внешнего напряжения и переменного светового потока. Известия ТРТУ №2, Таганрог, 1999, с.141-144.
24. Малышев В.А., Червяков Г.Г. Шибаев С.С. Теория высокочастотной фотопроводимости полупроводников с линейной варьируемой полем рекомбинацией и с учетом реакции комплексной нагрузки. - Шестая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», «ПЭМ-1999», Дивноморское, 6-11 сентября, 1999, с.95.
25. Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Фотоприемные устройства. Известия ТРТУ №3, Таганрог, 1998, с.129.
26. Червяков Г.Г Шибаев С.С. Определение параметров рекомбинации носителей в объеме и на контактах полупроводника при учете реальных ВАХ. - Пятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 6-11 сентября, 1998, с.143.
27. Таранович А.В., Червяков Г.Г., Шибаев С.С. Активные фотоприемные устройства. - Седьмая международная крымская конференция «СВЧ-техника и телеком. Технол.» (КрыМиКо-97), Севастополь, Крым, Украина, 15-18 сентября, Т.1, 1997, с.420-421.
Личный вклад автора в публикациях, выполненных в соавторстве,
состоит в следующем:
в [1,10,21,25,27] – выполнен анализ влияния генерационно-рекомбинационных процессов на ток в обедненном слое диодных структур, а также получены соотношения и проведен расчет комплексной СВЧ проводимости ЛПД;
в [2,3,7,9,12,14,15,18,22-24] – выполнены теоретические исследования нелинейных микроволновых свойств объема полупроводника при бигармоническом воздействии АМ света и СВЧ поля с учетом рекомбинационной и разогревной нелинейностей, получены расчетные соотношения;
в [5,6,8,11,16,17,26] – проведен анализ учета зависимости поперечного сечения рекомбинации от электрического поля, проведен расчет зависимости рекомбинационных параметров от скорости носителей в Ge и CdS на основе приведенных в литературе экспериментальных данных;
в [13,19] – проведен анализ регенеративного воздействия АМ света на диодный автогенератор, получены расчетные соотношения.
Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета
Зак. № _______. Тираж 100 экз.
