RU83142U1 - OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR - Google Patents
OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU83142U1 RU83142U1 RU2009106481/22U RU2009106481U RU83142U1 RU 83142 U1 RU83142 U1 RU 83142U1 RU 2009106481/22 U RU2009106481/22 U RU 2009106481/22U RU 2009106481 U RU2009106481 U RU 2009106481U RU 83142 U1 RU83142 U1 RU 83142U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- generation
- diode structure
- pulse
- control light
- Prior art date
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
1. Оптический генератор, содержащий диодную структуру, включающую ν-слой и электроды, выполненные на противоположных гранях ν-слоя, а также источник смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры и источник управляющего света, оптически связан с одной из ее граней, согласно полезной модели, упомянутая структура дополнительно содержит два наноразмерных монослоя диэлектрика, расположенных симметрично относительно ν-слоя между электродами, выполненными в виде оптически прозрачных электродов, на поверхности которых выполнено просветляющее покрытие и содержит относительно ν-слоя два диэлектрических охранных кольца, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика, оптически прозрачный электрод и просветляющее покрытие, а источник управляющего света оптически связан с одним из просветляющих покрытий, при этом ν-слой выполнен на основе высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью, для которого произведение равновесной концентрации носителей на длину образца удовлетворяет условию: n0L<1012см-2. ! 2. Оптический генератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему источник управляющего света, ось излучения которого перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия.1. An optical generator containing a diode structure comprising an ν layer and electrodes made on opposite faces of the ν layer, as well as a bias voltage source electrically connected to the electrodes of the diode structure and a control light source, is optically coupled to one of its faces, according to utility model, said structure additionally contains two nanoscale monolayer dielectrics located symmetrically with respect to the ν-layer between the electrodes made in the form of optically transparent electrodes on the surface which are coated with antireflection and contain two dielectric guard rings with respect to the ν layer, each of which encloses a nanoscale dielectric monolayer, an optically transparent electrode and an antireflection coating along the perimeter, and the control light source is optically coupled to one of the antireflection coatings, while the ν layer is made based on a high-resistance direct-gap semiconductor crystal with intrinsic conductivity, for which the product of the equilibrium concentration of carriers by the length of the sample satisfies the condition: n0L <1012cm-2. ! 2. The optical generator according to claim 1, characterized in that it further comprises a second control light source parallel to the first and similar to it, the axis of radiation of which is perpendicular to the plane of the second antireflection coating.
Description
Предлагаемая полезная модель относится к области СВЧ техники, конкретно к твердотельным оптическим источникам формирования СВЧ колебаний фототока и может быть использовано в аппаратуре систем обработки информации различного назначения для оптической генерации и управления пространственно-временными характеристиками СВЧ сигнала.The proposed utility model relates to the field of microwave technology, specifically to solid-state optical sources for generating microwave oscillations of the photocurrent and can be used in the equipment of information processing systems for various purposes for optical generation and control of the spatio-temporal characteristics of the microwave signal.
Известен ряд устройств, используемых для генерации электрических СВЧ импульсов. К числу таких устройств наряду с туннельными диодами, СВЧ транзисторами и лавинно-пролетными диодами относятся диоды Ганна (генераторы Ганна), которые представляют собой однородные полупроводниковые структуры с омическими контактами, создаваемые на основе различных по своим электрофизическим характеристикам полупроводниковых кристаллов или эпитаксиальных пленок. Для управления параметрами генерируемых диодами Ганна СВЧ колебаний (частотой, амплитудой, величиной порогового напряжения генерации (поля генерации Еп(х)), коэффициентом полезного действия, формой и т.д.) используются различные режимы работы диодов, а также схемы их включения во внешнюю цепь. Кроме того, в ряде случаев для управления параметрами генерируемых колебаний помимо электрического сигнала используется дополнительно воздействие на диод таких факторов, как магнитное и СВЧ поле, подсветка, температура и т.д., что оказывает влияние на спектральный состав и параметры генерируемых колебаний или может приводить к изменению условий возбуждения генерации [см.: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: Сов. Радио, 1975. - 288 с.].A number of devices are known that are used to generate electric microwave pulses. Among these devices, along with tunnel diodes, microwave transistors, and avalanche-span diodes, are Gunn diodes (Gunn generators), which are homogeneous semiconductor structures with ohmic contacts, created on the basis of semiconductor crystals or epitaxial films that are different in their electrophysical characteristics. To control the parameters of microwave oscillations generated by Gunn diodes (frequency, amplitude, threshold generation voltage (generation field E p (x)), efficiency, shape, etc.), various diode operating modes are used, as well as their switching circuits external circuit. In addition, in some cases, to control the parameters of the generated oscillations, in addition to the electric signal, an additional influence is applied to the diode of factors such as the magnetic and microwave fields, backlight, temperature, etc., which affects the spectral composition and parameters of the generated oscillations or can lead to to a change in the conditions of generation excitation [see: Levinstein M.E., Pozhela Yu.K., Shur M.S. Gann effect. - M .: Sov. Radio, 1975. - 288 p.].
Одним из устройств, в котором подсветка позволяет управлять условиями возбуждения и параметрами генерируемых колебаний, является диод Ганна [см.: Adams R.F., Schulte H.J. Optically triggered domain in GaAs Gunn diodes. - Appl. Phys. Lett., 15(8), p.265-267, 1969]. Активный элемент такого диода представляет собой планарную структуру, включающую выращенный на подложке GaAs:Cr эпитаксиальный слой n-GaAs с неоднородно распределенной по площади этого слоя концентрацией легирующей примеси ND, изменяющейся в диапазоне от 2,35×1014 до 2,35×1015 см-3, и омические контакты, выполненные на противоположных гранях эпитаксиального слоя на расстоянии One device in which the backlight allows controlling the excitation conditions and the parameters of the generated oscillations is the Gunn diode [see: Adams RF, Schulte HJ Optically triggered domain in GaAs Gunn diodes. - Appl. Phys. Lett., 15 (8), p. 265-267, 1969]. The active element of such a diode is a planar structure, including an n-GaAs epitaxial layer grown on a GaAs: Cr substrate with a dopant concentration N D nonuniformly distributed over the area of this layer, varying from 2.35 × 10 14 to 2.35 × 10 15 cm -3 , and ohmic contacts made on opposite faces of the epitaxial layer at a distance
L=100 мкм друг от друга. Кроме того, данное устройство включает импульсный источник напряжения и источник световых импульсов (λ=0,63 мкм, Римп.=1,5 мВт), оптически связанный со слоем n-GaAs, причем импульсы напряжения и оптического излучения, подаваемые на активный элемент, синхронизированы между собой.L = 100 μm from each other. In addition, this device includes a pulsed voltage source and a source of light pulses (λ = 0.63 μm, P imp. = 1.5 mW), optically coupled to an n-GaAs layer, the voltage pulses and optical radiation supplied to the active element are synchronized with each other.
Оптическое управление величиной порогового поля генерации Еп(х) и частотой генерации в устройстве - аналоге основано на изменении подсветкой величины напряженности внутреннего электрического поля Е(х) в диодной структуре. В отсутствии внешнего освещения приложение к диоду импульсного напряжения приводит на время действия импульса напряжения к возникновению внутри n-GaAs слоя однородно распределенного внутреннего электрического поля Е(х), величина которого чуть ниже порогового поля генерации Еп(х) в области зарождения домена. В этих условиях освещение n-GaAs слоя в области анода и большей части его активной области, за исключением области, смежной с катодом, импульсом света, синхронизированным по времени с импульсом прикладываемого напряжения, приводит к незначительному перераспределению напряженности электрического поля внутри диода, его возрастанию у катода до величины Еп(х), что ведет к возбуждению одиночного домена в диодной структуре.The optical control of the generation threshold field value E p (x) and the generation frequency in the analog device is based on a change in the backlight of the internal electric field strength E (x) in the diode structure. In the absence of external illumination, the application of a pulsed voltage to the diode leads to the appearance of a uniformly distributed internal electric field E (x) inside the n-GaAs layer, the value of which is slightly lower than the threshold generation field E p (x) in the domain nucleation region. Under these conditions, illumination of the n-GaAs layer in the anode region and most of its active region, with the exception of the region adjacent to the cathode, the light pulse synchronized in time with the applied voltage pulse, leads to an insignificant redistribution of the electric field strength inside the diode, its increase in cathode to the value of E p (x), which leads to the excitation of a single domain in the diode structure.
К числу основных недостатков такого устройства следует отнести невозможность возбуждения колебаний тока только за счет воздействующего освещения, а также невозможность оптического управления параметрами генерируемых колебаний.The main disadvantages of such a device include the impossibility of exciting current oscillations only due to exposure to illumination, as well as the impossibility of optical control of the parameters of the generated oscillations.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, прототипом, является устройство [см.: Гонтарь В.М., Егиазарян Г.А., Рубин B.C., Мурыгин В.И., Стафеев В.И. Отрицательная дифференциальная проводимость в высокоомном арсениде галлия при освещении. - ФТП, т.5, в.6, с.1061-1066, 1971], содержащее диодную структуру, выполненную в виде многослойной n+-ν-n+ структуры, включающей высокоомный ν-слой, созданный на основе объемного компенсированного монокристалла n-GaAs с концентрацией свободных носителей n0=107-108 см-3 и примесных уровней NA(NA≈1017÷1018 см-3), электрические контакты, выполненные на внешней поверхности двух противоположных граней ν-слоя в виде n+-слоя. Кроме того, устройство также включает источник импульсного смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры и монохроматический источник управляющего света, оптически связанный с одной из граней структуры, содержащей n+-слой, а генерация колебаний происходит при температуре Т=203°К.The closest in technical essence and the achieved positive effect, the prototype is the device [see: Gontar V.M., Egiazaryan G.A., Rubin BC, Murygin V.I., Stafeev V.I. Negative differential conductivity in high-resistance gallium arsenide under illumination. - FTP, v.5, v.6, p.1061-1066, 1971], containing a diode structure made in the form of a multilayer n + -ν-n + structure, including a high-resistance ν-layer, created on the basis of a volumetric compensated single crystal n -GaAs with a concentration of free carriers n 0 = 10 7 -10 8 cm -3 and impurity levels N A (N A ≈10 17 ÷ 10 18 cm -3 ), electrical contacts made on the outer surface of two opposite faces of the ν-layer in the form of an n + -layer. In addition, the device also includes a source of pulsed bias voltage, electrically coupled to the electrodes of the diode structure and a monochromatic control light source, optically coupled to one of the faces of the structure containing the n + layer, and the oscillation is generated at a temperature of T = 203 ° K.
Действие устройства - прототипа основано на образовании под действием импульсного напряжения и освещения рекомбинационной (концентрационной) нелинейности в n+-ν-n+ диодной структуре. К электродам диодной структуры прикладывается напряжение смещения, обеспечивающее напряженность внутреннего поля Е(х) от 1 до 5 кВ/см в ν-слое. Освещение поверхности одной из ее граней белым светом интенсивностью I от 1 до 4×103 лк (Римн. осв.~6 мВт) приводит в ее приконтактной области к генерации неравновесных фотоносителей. Т.к. полупроводниковая компонента n+-ν-n+ структуры содержит большую концентрацию примесных уровней NA, то при больших напряженностях внутреннего электрического поля Е(х) и воздействии внешнего освещения в ней реализуется ситуация, при которой в ν-слое диодной структуры возникает сдвиг равновесия в сторону сильного преобладания процессов рекомбинации и захвата неравновесных носителей над процессами их термической и оптической генерации (в компенсированном полупроводнике это происходит за счет увеличения сечения захвата и/или изменения коэффициента захвата с ростом напряженности электрического поля и т.д.). В результате с ростом внутреннего поля dE(x), вследствие интенсивного захвата носителей на глубокие примесные уровни ν-слоя, изменение концентрации носителей тока dn в зоне проводимости диодной структуры происходит значительно быстрее, чем изменение их подвижности dμ, с ростом поля, т.е. dn/dE(x)»dμdE(x), что ведет к существенному изменению в соотношении между концентрациями носителей. Концентрация свободных носителей, определяющих проводимость диодной структуры, резко падает, а концентрация носителей, захватываемых на примесные уровни, растет. Соответственно, это ведет к уменьшению проводимости диодной структуры и, как следствие, к возникновению в ней отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) dn/dE(x)<0, при возникновении которой на вольт-амперной характеристике (ВАХ) диодной структуры появляется резко падающий участок. С ростом поля уменьшение проводимости в диодной структуре происходит до тех пор, пока в ее полупроводниковой компоненте не произойдет восстановление кинетики генерационно-рекомбинационных процессов, вызывающей сдвиг в сторону преобладания процессов генерации над рекомбинацией (и/или захватом). Такого рода «обратный» сдвиг, сопровождающийся возрастанием проводимости в компенсированном полупроводнике, наступает вследствие полного заполнения примесных уровней, либо при достижении величиной внутреннего поля Е(х) значения, сравнимого с величиной поля примесного уровня Е* (для GaAs Е*~104÷105 В/см). В первом случае это происходит вследствие уменьшения интенсивности The action of the prototype device is based on the formation of recombination (concentration) nonlinearity in the n + -ν-n + diode structure under the influence of pulse voltage and lighting. A bias voltage is applied to the electrodes of the diode structure, providing an internal field strength E (x) of 1 to 5 kV / cm in the ν layer. Illumination of the surface of one of its faces with white light of intensity I from 1 to 4 × 10 3 lux (P imn. Ill. ~ 6 mW) leads to the generation of nonequilibrium photocarriers in its contact area. Because Since the semiconductor component of the n + -ν-n + structure contains a large concentration of impurity levels N A , then at high internal electric field strengths E (x) and external illumination, a situation is realized in which an equilibrium shift occurs in the ν-layer of the diode structure side of the strong predominance of the processes of recombination and capture of nonequilibrium carriers over the processes of their thermal and optical generation (in a compensated semiconductor, this occurs due to an increase in the capture cross section and / or changes in capture coefficient with increasing electric field strength, etc.). As a result, with an increase in the internal field dE (x), due to the intense capture of carriers at deep impurity levels of the ν layer, the change in the concentration of current carriers dn in the conduction band of the diode structure occurs much faster than the change in their mobility dμ, with an increase in the field, i.e. . dn / dE (x) »dμdE (x), which leads to a significant change in the ratio between carrier concentrations. The concentration of free carriers, which determine the conductivity of the diode structure, drops sharply, and the concentration of carriers trapped at impurity levels increases. Correspondingly, this leads to a decrease in the conductivity of the diode structure and, as a result, to the appearance of negative differential conductivity (NDC) dn / dE (x) <0 in it, upon the occurrence of which a sharp falling section appears on the current – voltage characteristic (I – V) of the diode structure . As the field increases, the conductivity in the diode structure decreases until the kinetics of the generation-recombination processes is restored in its semiconductor component, causing a shift in the direction of the dominance of the generation processes over recombination (and / or capture). This kind of “reverse” shift, accompanied by an increase in conductivity in the compensated semiconductor, occurs due to the complete filling of the impurity levels, or when the value of the internal field E (x) reaches a value comparable to the field of the impurity level E * (for GaAs E * ~ 10 4 ÷ 10 5 V / cm). In the first case, this occurs due to a decrease in intensity
захвата, происходящего по мере заполнения глубоких примесных уровней, во втором - при резком возрастании процессов автоионизации носителей с глубоких примесных уровней (обратного выброса). Как в первом, так и во втором случае (при освещении в компенсированном полупроводнике оба механизма реализуются вместе), в диодной структуре происходит рост проводимости до тех пор, пока дифференциальная подвижность электронов вновь не станет положительной dn/dE>0 (этому случаю на ВАХ диодной структуры соответствует возрастающий участок и участок насыщения), после чего в диодной структуре происходит образование рекомбинационного домена, периодическое образование которого приводит к появлению собственной низкочастотной генерации токовых колебаний в цепи, содержащей диодную структуру. В то же время большие интенсивности подсветки (I~104 лк) в условиях больших внутренних полей Е(х) могут приводить в ганновских диодах, создаваемых на основе компенсированных полупроводников, к появлению субгармоник в выходном спектре генерируемых колебаний. В условиях сильной подсветки их появление связано с образованием в зоне проводимости ν-слоя избыточного фотогенерированного заряда неравновесных носителей, который уже не может быть захвачен на заполненные примесные уровни. Появление такого заряда в зоне проводимости и вызывает возникновение совместной генерации двух видов колебаний: устойчивых собственных низкочастотных колебаний и неустойчивых более высокочастотных.capture taking place as deep impurity levels are filled, in the second - with a sharp increase in the processes of carrier autoionization from deep impurity levels (backward ejection). In both the first and second cases (when both mechanisms are implemented together in a compensated semiconductor), the conductivity increases in the diode structure until the differential electron mobility again becomes positive dn / dE> 0 (in this case, on the I – V characteristic of the diode the structure corresponds to an increasing portion and a saturation portion), after which the formation of a recombination domain occurs in the diode structure, the periodic formation of which leads to the appearance of intrinsic low-frequency current generation oscillation circuit comprising a diode structure. At the same time, high illumination intensities (I ~ 10 4 lux) under conditions of large internal fields E (x) can lead to the appearance of subharmonics in the output spectrum of generated oscillations in the Hann diodes created on the basis of compensated semiconductors. Under conditions of strong illumination, their appearance is associated with the formation in the conduction band of the ν layer of an excess photogenerated charge of nonequilibrium carriers, which can no longer be captured by filled impurity levels. The appearance of such a charge in the conduction band causes the joint generation of two types of oscillations: stable natural low-frequency oscillations and unstable higher-frequency ones.
При этом как в условиях освещения, так и без освещения, частота генерируемых рекомбинационных доменов невысока f~103÷104 Гц, поскольку она определяется не только низкой скоростью носителей υ~2,5×10-2 см/с, но и скоростью протекания сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их выбросом в зону проводимости.Moreover, both under lighting conditions and without lighting, the frequency of the generated recombination domains is low f ~ 10 3 ÷ 10 4 Hz, since it is determined not only by the low carrier velocity υ ~ 2.5 × 10 -2 cm / s, but also by the speed the occurrence of relatively slow metabolic processes associated with the capture of carriers at impurity levels and their release into the conduction band.
Таким образом, устройство - прототип обеспечивает при освещении в условиях низких температур (Т=203°К) только собственную низкочастотную генерацию электрических импульсов и при больших интенсивностях подсветки и внутренних полях неустойчивую более высокочастотную генерацию (f≤107 Гц в виде субгармоники). Кроме того, частота собственной генерации в пролетном режиме в устройстве - прототипе меняется на 1-2 октавы при изменении интенсивности подсветки или изменении величины напряжения прикладываемого к структуре.Thus, the prototype device provides, when illuminated at low temperatures (T = 203 ° K), only its own low-frequency generation of electrical pulses and at high illumination intensities and internal fields, unstable higher-frequency generation (f≤10 7 Hz in the form of a subharmonic). In addition, the frequency of self-generation in transit mode in the prototype device changes by 1-2 octaves when the backlight intensity changes or the magnitude of the voltage applied to the structure changes.
В настоящее время отсутствуют оптические устройства генерации СВЧ импульсов фототока, обеспечивающие генерацию СВЧ импульсов при комнатных температуpax At present, there are no optical devices for generating microwave pulses of the photocurrent that provide the generation of microwave pulses at room temperature
только за счет воздействующего освещения, а также позволяющие оптически и электрически управлять параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации и величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации).only due to the influence of illumination, as well as allowing optically and electrically control the parameters of the generated oscillations under various modes of generation and the magnitude of the threshold generation voltage (threshold generation field).
Полезная модель направлена на решение задачи создания оптического СВЧ генератора импульсов, позволяющего осуществлять генерацию СВЧ импульсов только за счет воздействующего освещения, осуществлять оптическое и электрическое управление параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации, а также повысить частоту оптически генерируемых колебаний.The utility model is aimed at solving the problem of creating an optical microwave pulse generator, which allows the generation of microwave pulses only due to the influence of illumination, optical and electrical control of the parameters of the generated oscillations under different generation modes, and also increase the frequency of the optically generated oscillations.
Для решения поставленной задачи в оптическом генераторе, содержащем диодную структуру, включающую ν-слой и электроды, выполненные на противоположных гранях ν-слоя, а также источник смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры, и источник управляющего света, оптически связанный с одной из ее граней, согласно полезной модели, упомянутая структура дополнительно содержит два наноразмерных монослоя диэлектрика, расположенных симметрично относительно ν-слоя между электродами, выполненными в виде оптически прозрачных электродов, на поверхности которых выполнено просветляющее покрытие, и содержит относительно ν-слоя два диэлектрических охранных кольца, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика, оптически прозрачный электрод и просветляющее покрытие, а источник управляющего света оптически связан с одним из просветляющих покрытий, при этом ν-слой выполнен на основе высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью, для которого произведение равновесной концентрации носителей на длину образца удовлетворяет условию: n0L<1012 см-2.To solve the problem in an optical generator containing a diode structure, including the ν-layer and electrodes made on opposite faces of the ν-layer, as well as a bias voltage source electrically connected to the electrodes of the diode structure, and a control light source optically coupled to one of of its faces, according to a utility model, said structure additionally contains two nanoscale monolayer dielectrics located symmetrically with respect to the ν-layer between electrodes made in the form of optically transparent electrodes, on the surface of which an antireflection coating is made, and contains two dielectric guard rings relative to the ν layer, each of which covers a perimeter of a nanoscale dielectric monolayer, an optically transparent electrode and an antireflection coating, and the control light source is optically coupled to one of the antireflection coatings, in this case, the ν layer is made on the basis of a high-resistance direct-gap semiconductor crystal having intrinsic conductivity, for which the product of the equilibrium carrier density at the sample length satisfies the condition: n 0 L <December 10 cm -2.
Для решения задачи повышения частоты генерируемых колебаний оптический генератор дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему, источник управляющего света, ось излучения которого перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия.To solve the problem of increasing the frequency of generated oscillations, the optical generator further comprises a second control light source parallel to the first and similar to it, whose radiation axis is perpendicular to the plane of the second antireflection coating.
Сущность предлагаемого технического решения основана на обнаруженной автором токовой неустойчивости нового вида - объемной фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Экспериментальные исследования фотоэлектрических свойств однородных структур с неинжектирующими контактами, создаваемыми на основе прямозонных высокоомных полупроводников с собственной или близкой к собственной The essence of the proposed technical solution is based on a new type of current instability discovered by the author - volumetric photocurrent drift domain instability. Experimental studies of the photoelectric properties of homogeneous structures with non-injecting contacts, created on the basis of direct-gap high-resistance semiconductors with intrinsic or close to intrinsic
проводимостью, показало, что при любой полярности приложенного напряжения V0 и освещении их собственным светом с энергией квантов hν≥Eg, где hν - энергия кванта, Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, протекание монополярного фототока, ограниченного пространственным зарядом (ФТОПЗ), приводит к пространственной перестройке электрического поля в объеме такой структуры. В результате на время действия освещения в объеме ее полупроводниковой компоненты у неосвещаемого электрода образуется статическая область «сильного электрического поля», что приводит к изменению исходного распределения электрического поля, величина и конечный профиль которого определяются мощностью освещающего импульса и величиной напряжения, прикладываемого к структуре. При этом величина и неоднородный профиль распределения электрического поля в структуре не меняется при сохранении мощности (интенсивности) воздействующего освещения и величины приложенного напряжения. После прекращения освещения неоднородное электрическое поле в структуре самопроизвольно возвращается к своему исходному темновому однородному состоянию за время отекания накопленного заряда свободных фотоносителей.conductivity, showed that for any polarity of the applied voltage V 0 and illumination with its own light with quantum energy hν≥E g , where hν is the quantum energy, E g is the semiconductor band gap, the flow of a monopolar photocurrent limited by the space charge (PFET), leads to spatial rearrangement of the electric field in the volume of such a structure. As a result, for the duration of illumination in the volume of its semiconductor component, a non-illuminated electrode forms a static region of a “strong electric field”, which leads to a change in the initial distribution of the electric field, the magnitude and final profile of which are determined by the power of the illuminating pulse and the magnitude of the voltage applied to the structure. In this case, the magnitude and inhomogeneous distribution profile of the electric field in the structure does not change while maintaining the power (intensity) of the affected lighting and the magnitude of the applied voltage. After the cessation of lighting, an inhomogeneous electric field in the structure spontaneously returns to its initial dark homogeneous state during the swelling of the accumulated charge of free photocarriers.
В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что при напряжениях смещения, обеспечивающих величину неоднородного поля в одной из частей структуры , протекание ФТОПЗ приводит к образованию в структуре ОДП и, как следствие, к возникновению фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида на время протекания фототока в структуре. При этом в отсутствии внешнего освещения возникновение генерации в такой структуре не происходит ни при каких значениях приложенного напряжения, вплоть до электрического пробоя структуры. Кроме того, экспериментально было установлено, что такие характеристики возбуждаемых освещением колебаний как частота, период, амплитуда, форма и т.д., а также режимы генерации существенно отличаются как от колебаний, возбуждаемых в диодах Ганна в условиях внешней подсветки, так и от токовых колебаний, возбуждаемых в классических диодах Ганна электрическим или СВЧ полем.In the course of further studies, it was found that at bias voltages that provide an inhomogeneous field in one of the parts of the structure The occurrence of FTOPZ leads to the formation of an NDC in the structure and, as a consequence, to the appearance of a photocurrent domain instability of a drift species for the duration of the photocurrent in the structure. Moreover, in the absence of external illumination, the appearance of generation in such a structure does not occur at any values of the applied voltage, up to electrical breakdown of the structure. In addition, it was experimentally established that such characteristics of oscillations excited by lighting as frequency, period, amplitude, shape, etc., as well as the generation modes, differ significantly both from oscillations excited in Gunn diodes under conditions of external illumination, and from current oscillations excited in classical Gunn diodes by an electric or microwave field.
Анализ результатов экспериментальных исследований с позиций нелинейной динамики показывает, что пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля лежит в основе как образования ОДП под действием освещения, так и возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Аналитически пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля описывается как стационарный линейный или квазилинейный отклик, возникающий в туннельной An analysis of the results of experimental studies from the standpoint of nonlinear dynamics shows that spatial photostimulated rearrangement of the electric field underlies both the formation of NDCs under the influence of illumination and the appearance of photocurrent drift domain instability. Analytically spatial photostimulated rearrangement of the electric field is described as a stationary linear or quasilinear response arising in a tunnel
МДП системе на время действия освещения, который приводит к изменению величины у нескольких макро- и микропараметров, характеризующих туннельную МДП систему. Однако такой вид отклика не вызывает в ней необратимых изменений, связанных как с состоянием равновесия в системе в целом, так и с состоянием электрического поля, т.к. на время действия освещения туннельная МДП система самосогласованным образом способна сколь угодно долго устойчиво поддерживать свое новое квазиравновесное состояние [см.: Перепелицын Ю.Н. Методы оптической модуляции световых потоков на основе пространственной фотостимулированной перестройки электрического поля. - В сб.: Направления развития лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине. /Труды НМТК/, Воронеж, 1995, с.1-14].MIS system for the duration of the lighting, which leads to a change in the value of several macro- and microparameters characterizing the tunnel MIS system. However, this kind of response does not cause irreversible changes in it, related to both the equilibrium state in the system as a whole and the state of the electric field, because for the duration of the illumination, the MIS tunnel system in a self-consistent manner is capable of stably maintaining its new quasi-equilibrium state for an arbitrarily long time [see: Yu. N. Perepelitsyn Methods of optical modulation of light fluxes based on spatial photostimulated restructuring of the electric field. - In Sat: Directions for the development of laser and millimeter systems and tools in information transmission technology and medicine. / Proceedings of the NTTC /, Voronezh, 1995, p.1-14].
В то же время генерацию СВЧ колебаний фототока в высокоомной туннельной МДП системе следует рассматривать как новый нелинейный вид фотоэлектрического отклика, который спонтанно возникает в ней на время действия освещения после того, как вследствие оптического или/и электрического воздействия у одной или нескольких величин, характеризующих равновесное состояние макроскопически однородной туннельной МДП системы, происходит значительное превышение определенных значений, при которых туннельная МДП система уже не способна самосогласованным образом устойчиво поддерживать свое прежнее равновесное либо квазиравновесное состояние. В результате состояние квазиравновесия в объеме макроскопически однородной туннельной МДП системы становится неустойчивым и в ней происходит спонтанный переход к другому, резко неоднородному состоянию. Такой переход сопровождается качественным изменением нескольких из ее макро- и микропараметров. Прежде всего, изменение происходит у одного из ее основных внутренних макропараметров - распределения электрического поля, причем его изменение происходит скачкообразно: от исходно неоднородно распределенного в объеме всей диодной структуры, к другому резко неоднородному, пространственно узко локализованному в одной из ее частей (в виде домена сильного электрического поля). При этом помимо изменения профиля распределения поля скачкообразный переход сопровождается также и другим качественным изменением. Если ранее, при формировании линейного или квазилинейного отклика в условиях неизменных освещения и напряжения смещения в туннельной МДП системе происходило образование неоднородного, но стационарного профиля распределения поля , то при нелинейном отклике в тех же условиях в ней происходит спонтанное периодическое формирование динамического отклика, который в виде фотоэлектрического At the same time, the generation of microwave oscillations of the photocurrent in a high-resistance tunneling MIS system should be considered as a new nonlinear form of the photoelectric response that spontaneously arises in it for the duration of the illumination after, due to optical and / or electrical influence, at one or several values characterizing the equilibrium the state of a macroscopically homogeneous tunneling MIS system, there is a significant excess of certain values at which the tunneling MIS system is no longer capable of self-consistency in this way, it is stable to maintain its former equilibrium or quasi-equilibrium state. As a result, the state of quasiequilibrium in the volume of a macroscopically homogeneous tunneling MIS system becomes unstable and a spontaneous transition to another sharply inhomogeneous state occurs in it. Such a transition is accompanied by a qualitative change in several of its macro- and microparameters. First of all, a change occurs in one of its main internal macroparameters - the distribution of the electric field, and its change occurs spasmodically: from the initially nonuniformly distributed throughout the entire diode structure, to another sharply inhomogeneous, spatially narrowly localized in one of its parts (in the form of a domain strong electric field). In addition to the change in the field distribution profile, the jump-like transition is also accompanied by another qualitative change. If earlier, during the formation of a linear or quasilinear response under conditions of constant illumination and bias voltage, a nonuniform but stationary field distribution profile was formed in the tunnel MIS system then with a nonlinear response under the same conditions, a spontaneous periodic formation of a dynamic response occurs in it, which is in the form of a photoelectric
домена (или нескольких сразу) периодически перемещается от одного контакта к другому.domain (or several at once) periodically moves from one contact to another.
К числу основных внешних макропараметров, которыми может быть охарактеризовано состояние диодной системы, относятся: L1 - расстояние между контактами, I - интенсивность (мощность Р) воздействующего освещения, ρ - удельное сопротивление полупроводника, V0 - величина приложенного напряжения, NA, ND - концентрация акцепторных и донорных уровней, n0 - равновесная концентрация, Т - температура и др. К числу внутренних макро- и микропараметров относятся: Е(х)=V0/L1 - величина внутреннего поля, Р0 - пороговая мощность (или интенсивность I0) управляющего оптического сигнала, обеспечивающая оптическую инжекцию монополярного заряда свободных фотоносителей, при которой в диодной структуре выполняется критерий Кремера: n0L1≥1012 см-2 и, соответственно, происходит возникновение генерации, Vп(x) - пороговое напряжение генерации, Еп(х)=Vп(x)/L1 - пороговое поле генерации, - неоднородное электрическое поле, - подвижность носителей в неоднородном поле вне домена, Jф - плотность фототока, - дрейфовая скорость основных носителей в неоднородно поле , - подвижность основных носителей в неоднородно поле , τn, τр - время жизни основных и неосновных носителей, d - толщина наноразмерного монослоя диэлектрика, γ - коэффициент прозрачности туннельного барьера и др.The main external macro parameters that can be used to characterize the state of the diode system include: L 1 is the distance between the contacts, I is the intensity (power P) of the illumination, ρ is the semiconductor resistivity, V 0 is the applied voltage, N A , N D is the concentration of acceptor and donor levels, n 0 is the equilibrium concentration, T is the temperature, etc. The number of internal macro- and microparameters includes: E (x) = V 0 / L 1 - value of the internal field, P 0 - threshold power ( or the intensity I 0) of the control cally signal providing optical injection unipolar free charge photocarriers in which a diode structure is performed Kramer criterion: n 0 L 1 ≥10 12 cm -2, and, accordingly, there is the occurrence of generation, V n (x) - lasing threshold voltage E n (x) = V p (x) / L 1 - threshold generation field, - non-uniform electric field, - carrier mobility in an inhomogeneous field outside the domain, J f - photocurrent density, - drift velocity of the main carriers in an inhomogeneous field , - mobility of the main carriers in an inhomogeneous field , τ n , τ p is the lifetime of the main and minority carriers, d is the thickness of the nanoscale dielectric monolayer, γ is the transparency coefficient of the tunnel barrier, etc.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что внешние и внутренние макро- и микропараметры, а также соотношения между ними оказывают сложное и взаимосвязанное влияние не только на условия возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости, но и на конечные характеристики СВЧ колебаний фототока (амплитуду, форму домена, частоту, период, когерентность и т.д.). Однако, несмотря на это, можно выделить ряд соотношений между основными макро- и микропараметрами, при которых устойчиво проявляется нелинейный фотоэлектрический отклик определенного вида (режимы генерации), т.е. происходит генерация доменов, имеющих определенные пространственно-временные, мощностные и частотные характеристики, что и обеспечивает достижение положительного эффекта.The results of experimental studies show that the external and internal macro- and microparameters, as well as the relationships between them, have a complex and interrelated effect not only on the conditions for the occurrence of photocurrent drift domain instability, but also on the final characteristics of the microwave oscillations of the photocurrent (amplitude, domain shape, frequency, period, coherence, etc.). However, in spite of this, a number of relations can be distinguished between the main macro- and microparameters at which a nonlinear photoelectric response of a certain kind (generation modes) stably manifests itself, i.e. domains are generated that have certain spatio-temporal, power and frequency characteristics, which ensures the achievement of a positive effect.
Одним из существенных признаков заявляемого устройства, обеспечивающих достижение положительного эффекта, является выполнение ν-слоя структуры на основе высокоомного прямозонного полупроводника с собственной или близкой к собственной проводимостью. Необходимость использования в полупроводниковой компоненте One of the essential features of the claimed device, ensuring the achievement of a positive effect, is the implementation of the ν-layer structure based on high-resistance direct-gap semiconductor with intrinsic or close to intrinsic conductivity. The need for use in a semiconductor component
диодной структуры такого полупроводника существенно важно по нескольким причинам.The diode structure of such a semiconductor is essential for several reasons.
Во-первых, для реализации полезной модели необходимо, чтобы при освещении управляющим светом и при любой полярности приложенного напряжения проводимость диодной структуры полностью определялась только ее фототоковой составляющей σф, где σф - проводимость диодной структуры при освещении. Обеспечить это условие возможно выполнением ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника и создании в диодной структуре неинжектирующих контактов, позволяющих исключить электрическую инжекцию носителей с электродов диодной структуры в объем полупроводника при приложенном напряжении смещения V0 и в отсутствии освещения. Для высокоомных полупроводников электрически неинжектирующие контакты реализуются лишь на основе металлических слоев Аu или Pt. Такие слои являются оптически прозрачными для спектрального диапазона управляемого света и одновременно с этим обеспечивают максимально высокое соотношение работы выхода металл - полупроводник, что, соответственно, позволяет обеспечить минимальную величину надбарьерной эмиссии даже при высоких приложенных напряжениях и практически полностью исключить электрическую инжекцию носителей в объем полупроводника. Кроме того, наличие неинжектирующих контактов является необходимым, но не достаточным условием для того, чтобы ток в диодной структуре определялся только фототоковой составляющей σф. Добиться этого возможно лишь единственным способом - при выполнении ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника. Это связано с тем, что только в таком полупроводнике в условиях внешнего приложенного напряжения воздействие освещения приводит к образованию монополярного пространственного заряда свободных носителей, который в объеме полупроводника не может быть скомпенсирован зарядом другого знака в процессе его дрейфового переноса от места генерации к неосвещаемому электроду, т.к. компенсирующий заряд поступить из внешней цепи не может, а в объеме полупроводниковой компоненты он практически отсутствует. В совокупности это приводит к тому, что в диапазоне внутренних полей Е(х)(0,1≤Еп(х)≤3) темновая проводимость в диодной структуре σтем пренебрежимо мала, а при освещении ее проводимость полностью определяется ее фототоковой составляющей σф. (Как показывают оценки, при изменении напряженности темнового электрического поля Е(х)~0,1≤Еп(х)≤3 величина темнового тока iтем изменяется в диапазоне от 10-9 до 10-7 А. При мощности импульсного освещения Р~10-20 мВт, First, to implement the utility model, it is necessary that, under illumination with control light and at any polarity of the applied voltage, the conductivity of the diode structure is completely determined only by its photocurrent component σ f , where σ f is the conductivity of the diode structure under illumination. It is possible to provide this condition by fulfilling the ν layer based on a high-resistance intrinsic semiconductor and creating non-injecting contacts in the diode structure, which make it possible to exclude the electrical injection of carriers from the diode structure electrodes into the semiconductor volume with an applied bias voltage V 0 and in the absence of lighting. For high-resistance semiconductors, electrically non-injecting contacts are realized only on the basis of Au or Pt metal layers. Such layers are optically transparent for the spectral range of controlled light and, at the same time, provide the highest possible metal to semiconductor work function ratio, which, accordingly, ensures the minimum value of over-barrier emission even at high applied voltages and almost completely eliminates the electrical injection of carriers into the semiconductor bulk. In addition, the presence of non-injecting contacts is a necessary but not sufficient condition for the current in the diode structure to be determined only by the photocurrent component σph. This can only be achieved in the only way - by performing an ν layer based on a high-resistance intrinsic semiconductor. This is due to the fact that only in such a semiconductor under the conditions of an external applied voltage does the illumination lead to the formation of a unipolar space charge of free carriers, which cannot be compensated in the semiconductor by a charge of another sign during its drift transfer from the generation site to the non-illuminated electrode, t .to. the compensating charge cannot come from the external circuit, and it is practically absent in the volume of the semiconductor component. Together, this leads to the fact that in the range of internal fields E (x) (0.1 ≤ E p (x) ≤ 3), the dark conductivity in the diode structure σ is negligible, and when illuminated, its conductivity is completely determined by its photocurrent component σ f . (As estimates show, when changing the intensity of the dark electric field E (x) ~ 0,1≤E n (x) ≤3 value of the dark current i varies in a range from 10 -9 to 10 -7 A. When power pulsed light P ~ 10-20 mW,
средняя величина тока в структуре составляет iф~10-3÷10-2 А, т.е. при освещении среднее изменение проводимости <σф/σтем.>в диодной структуре происходит от 103 до 104 раз).the average current in the structure is i f ~ 10 -3 ÷ 10 -2 A, i.e. when illuminated, the average change in conductivity is <σ f / σ by that. > in the diode structure occurs from 10 3 to 10 4 times).
Во-вторых, генерация СВЧ колебаний под действием электрического поля может возникать лишь в диодных структурах, для которых выполняется критерий Кремера - n0L≥1012 см-2, где n0 - равновесная концентрация, L - длина образца. Использование в полупроводниковой компоненте собственного прямозонного полупроводника, имеющего малую равновесную концентрацию носителей n0<107 см-3, приводит к тому, что критерий Кремера в таких структурах исходно не выполняется (n0L1«1012 см-2), поскольку при темновом поле Е(х)≥Еп(х) и выше равновесной концентрации носителей, содержащихся в ν-слое структуры, не достаточно для возникновения домена. Поэтому в такой структуре дрейфовая доменная неустойчивость только под действием электрического поля не может возникнуть ни при каких значениях внешнего приложенного напряжения. В то же время воздействие освещения приводит к появлению в диодной структуре фототока iф, заряд которого обеспечивает выполнение критерия Кремера и, соответственно, возникновение СВЧ генерации только при воздействии освещения.Secondly, the generation of microwave oscillations under the influence of an electric field can occur only in diode structures for which the Kramer criterion is fulfilled - n 0 L≥10 12 cm -2 , where n 0 is the equilibrium concentration, L is the length of the sample. The use of an intrinsic direct-gap semiconductor with a low equilibrium carrier concentration n 0 <10 7 cm -3 in the semiconductor component leads to the fact that the Kraemer criterion in such structures is not initially satisfied (n 0 L 1 "10 12 cm -2 ), since at the dark field E (x) ≥E p (x) and above the equilibrium concentration of carriers contained in the ν layer of the structure is not enough for the emergence of a domain. Therefore, in such a structure, drift domain instability only under the influence of an electric field cannot arise at any values of the external applied voltage. At the same time, the effect of lighting leads to the appearance in the diode structure of the photocurrent i f , the charge of which ensures the fulfillment of the Kramer criterion and, accordingly, the appearance of microwave generation only when exposed to lighting.
В-третьих, выполнение в диодной структуре ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника, исходно содержащего не только малую концентрацию равновесных носителей по, но в котором также отсутствуют глубокие и мелкие примесные уровни, позволяет при освещении и при любых внутренних полях Е(х) исключить в ней протекание обменных процессов и, тем самым, изменить механизм образования доменной неустойчивости. Т.е. перейти от механизма рекомбинационной нелинейности, лежащей в основе образования ОДП в многослойной n+-ν-n+ диодной структуре, к дрейфовой, при которой возникновение ОДП и, соответственно, формирование домена происходит только за счет изменения подвижности свободных фотоносителей (dμ/dE) с ростом неоднородного поля , а не за счет изменения их концентрации с ростом поля (dμ/dE), как это имеет место в прототипе, вследствие протекания в высокоомном ν-слое компенсированного полупроводника сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их обратным выбросом в зону проводимости.Thirdly, the implementation of the ν-layer in the diode structure based on a high-resistance intrinsic semiconductor, initially containing not only a low concentration of equilibrium carriers along, but in which there are also no deep and shallow impurity levels, allows for illumination and for any internal fields E (x) to exclude the occurrence of metabolic processes in it and, thereby, change the mechanism of the formation of domain instability. Those. switch from the recombination nonlinearity mechanism underlying the formation of NDCs in the multilayer n + -ν-n + diode structure to the drift one, in which the NDC and, correspondingly, domain formation occurs only due to a change in the mobility of free photocarriers (dμ / dE) with growth of an inhomogeneous field rather than due to a change in their concentration with increasing field (dμ / dE), as is the case in the prototype, due to the relatively slow exchange processes in the high-resistance ν layer of the compensated semiconductor associated with the capture of carriers to impurity levels and their reverse emission into conduction band.
Вместе с тем для достижения поставленной задачи в полезной модели недостаточно только изменить механизм формирования доменной неустойчивости в диодной структуре и обеспечить при освещении в ней фототоковую проводимость.At the same time, in order to achieve the task in the utility model, it is not enough just to change the mechanism of the formation of domain instability in the diode structure and to provide photocurrent conductivity when illuminated in it.
Для реализации различных режимов генерации, оптического и электрического управления параметрами генерируемых колебаний, а также для повышения частоты оптически генерируемых колебаний необходимо также обеспечить в диодной структуре:To implement various modes of generation, optical and electrical control of the parameters of the generated oscillations, as well as to increase the frequency of the optically generated oscillations, it is also necessary to provide in the diode structure:
- протекание сквозного фототока;- the flow of a through photocurrent;
- пространственную перестройку электрического поля в режиме протекания сквозного фототока (как в случае генерации колебаний фототока, так и в их отсутствии), причем по окончании освещения релаксация импульса фототока должна происходить самопроизвольно и за минимальное время;- spatial restructuring of the electric field in the flow of the through photocurrent (both in the case of generation of oscillations of the photocurrent and in their absence), moreover, at the end of the illumination, the relaxation of the photocurrent pulse should occur spontaneously and in a minimum time;
- взаимно однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими характеристиками импульса фототока, возникающего при воздействии управляющего оптического импульса.- a one-to-one correspondence between the spatio-temporal and energy characteristics of the control light pulse and the corresponding characteristics of the photocurrent pulse arising from the action of the control optical pulse.
Обеспечить выполнение указанных выше условий одновременно возможно только при выполнении между ν-слоем и металлическими электродом наноразмерного монослоя диэлектрика, причем положительный эффект будет достигаться в том случае, если наноразмерный монослой диэлектрика будет выполнен на каждой из двух противоположных граней прямозонного собственного полупроводника, и при этом наноразмерные монослои диэлектрика будут идентичны по своим электрофизическим характеристикам. Как показали экспериментальные исследования, введение в конструкцию диодной структуры симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика необходимо по ряду причин.It is possible to ensure the fulfillment of the above conditions at the same time only if the nanoscale dielectric monolayer is satisfied between the ν layer and the metal electrode, and a positive effect will be achieved if the nanoscale dielectric monolayer is performed on each of the two opposite faces of the direct-gap intrinsic semiconductor, and nanoscale monolayers of the dielectric will be identical in their electrophysical characteristics. As experimental studies have shown, the introduction of symmetric nanoscale dielectric monolayers into the diode structure is necessary for a number of reasons.
Во-первых, наличие в диодной структуре симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика приводит к тому, что при любой полярности приложенного напряжения в каждой из приповерхностных областей полупроводниковой компоненты образуется равенство между потоком неосновных носителей, поступающих из объема полупроводника, которые формируют инверсионный слой, и протекающим через диэлектрический слой потоком носителей, отток которых разрушает инверсионный слой (ток утечки через диэлектрик), т.е. их наличие приводит к установлению в диодной структуре режима протекания сквозного тока. При этом изучение особенностей протекания сквозного тока в таких структурах показало, что его величина зависит от величины поверхностного потенциала φs и в отсутствии освещения сквозной темновой ток iтем. пропорционален темпу тепловой генерации носителей.Firstly, the presence in the diode structure of symmetric nanoscale dielectric monolayers leads to the fact that for any polarity of the applied voltage in each of the near-surface regions of the semiconductor component, an equality is formed between the flow of minority carriers coming from the semiconductor volume, which form the inversion layer, and flowing through the dielectric layer by the flow of carriers, the outflow of which destroys the inversion layer (leakage current through the dielectric), i.e. their presence leads to the establishment of a through-current flow regime in the diode structure. Moreover, the study of the features of the flow of through current in such structures showed that its value depends on the value of the surface potential φ s and in the absence of illumination, the through dark current i is that. proportional to the rate of thermal generation of carriers.
Как следствие, это приводит к тому, что в отсутствии освещения в диодной структуре, содержащей наноразмерные монослои диэлектрика, обладающие высокой туннельной прозрачностью, уже при малых напряжениях смещения величина темнового тока iтем. перестает ограничиваться наноразмерным монослоем диэлектрика и зависит лишь от скорости межзонной генерации электронно-дырочных пар, которая определяет темп подтока неосновных носителей обоих знаков из объема полупроводника к соответствующим границам раздела. В этих условиях совместное действие двух факторов - малой равновесной концентрации носителей n0 и полного оттока термически генерируемых носителей заряда обоих знаков во внешнюю цепь из объема собственного полупроводника - приводят к тому, что уже при напряжении смещения обедненная область распространяется на всю толщину ν-слоя (L0б>L1), вследствие чего практически все приложенное напряжение равномерно распределяется на полупроводниковой компоненте структуры, а на нанодиэлектрических слоях падает лишь его малая часть. (Как показывают оценки, в GaAs структуре величина напряжения Vd, падающего на наноразмерном монослое диэлектрика толщиной <d> от 5 до 40 нм составляет 0,01-0,03 V0). Дальнейшее увеличение напряжения , прикладываемого к диодной структуре, вызывает только рост поверхностного потенциала φs поскольку при этом случае уровень Ферми в металле и край зоны проводимости полупроводника смещаются одновременно. Поэтому при напряжениях смещения V0~Vп (x) и выше токи надбарьерной эмиссии (т.е. токи основных носителей, поступающих с обоих электрических контактов в объем полупроводника) остаются пренебрежимо малыми, т.к. их величина пропорциональна е-φs и, соответственно, они не могут обеспечить рост концентрации носителей в объеме ν-слоя до величины, при которой согласно критерию Кремера в диодной структуре может возникнуть электрическая генерация СВЧ колебаний тока без освещения.As a result, this leads to the fact that in the absence of illumination in a diode structure containing nanoscale dielectric monolayers with high tunnel transparency, even at low bias voltages the magnitude of the dark current i topics. ceases to be limited to a nanoscale dielectric monolayer and depends only on the rate of interband generation of electron-hole pairs, which determines the rate of inflow of minority carriers of both signs from the semiconductor volume to the corresponding interfaces. Under these conditions, the combined action of two factors — the low equilibrium carrier concentration n 0 and the complete outflow of thermally generated charge carriers of both signs into the external circuit from the volume of the intrinsic semiconductor — leads to the fact that even at a bias voltage the depletion region extends to the entire thickness of the ν layer (L 0b > L 1 ), as a result of which almost all the applied voltage is uniformly distributed on the semiconductor component of the structure, and only a small part of it falls on the nanodielectric layers. (As estimates show, in a GaAs structure, the voltage V d incident on a nanoscale monolayer of a dielectric with a thickness <d> of 5 to 40 nm is 0.01-0.03 V 0 ). Further increase in voltage applied to the diode structure causes only an increase in the surface potential φ s since in this case the Fermi level in the metal and the edge of the semiconductor conduction band are shifted simultaneously. Therefore, at bias voltages V 0 ~ V p (x) and above, the currents above the barrier emission (i.e., the currents of the main carriers coming from both electrical contacts into the semiconductor volume) remain negligible, since their value is proportional to e- φs and, accordingly, they cannot provide an increase in the carrier concentration in the volume of the ν layer to a value at which, according to the Kramer criterion, electrical generation of microwave current oscillations without illumination can occur in the diode structure.
Во-вторых, отток носителей из объема полупроводника во внешнюю цепь в отсутствии освещения обеспечивает при пороговых напряжениях смещения Vп(x) в диодной структуре минимальную величину темнового тока. При освещении ее управляющим светом это дает возможность получить максимально большое соотношение σф/σтем. и тем самым достигнуть в ней не только высокой фоточувствительности, но и расширить область спектральной чувствительности управляющего света.Secondly, the outflow of carriers from the volume of the semiconductor to the external circuit in the absence of illumination provides at a threshold bias voltage V p (x) in the diode structure a minimum value of the dark current. When illuminated with a control light, this makes it possible to obtain the largest possible ratio of σ f / σ themes. and thereby achieve in it not only high photosensitivity, but also expand the region of spectral sensitivity of the control light.
В-третьих, исследования особенностей протекания фототока в GaAs диодных структурах, создаваемых на основе собственного полупроводника, показало, что при освещении и любой полярности приложенного напряжения наличие нанодиэлектрических монослоев приводит к тому, что величина сквозного фототока в них определяется балансом, который устанавливается в каждой из ее приповерхностных областей между фотоносителями, подтекающими из объема полупроводника к соответствующему нанодиэлектрическому слою, и фотоносителями, протекающим через наноразмерный монослой диэлектрика. Скорость установления баланса и величина фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, определяются двумя величинами: интенсивностью воздействующего освещения и прозрачностью туннельного барьера. Первая из них, интенсивность воздействующего освещения, определяющая концентрацию неосновных фотоносителей, подтекающих из объема полупроводника к соответствующим электродам диодной структуры, прямо пропорциональна интенсивности воздействующего освещения. Вторая, определяющая скорость установления режима протекания сквозного фототока и величину фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, зависит от вероятности туннелирования носителей через потенциальный барьер, определяется структурным совершенством слоя, наличием в нем глубоких и мелких примесей, а также концентрацией и скоростью свободных фотоносителей, величиной напряженности электрического поля на границе слоя и другими факторами. Соответственно, это приводит к тому, что достижение поставленной задачи у полезной модели обеспечивается лишь при определенных электрофизических характеристиках нанодиэлектрических монослоев. Экспериментально было установлено, что такие слои должны представлять собой однородные монослои нанодиэлектрика, которые должны иметь одинаковую толщину <d> от 5 до 40 нм на всей площади грани, обладать низкой плотностью структурных дефектов и содержать в запрещенной зоне материала монослоя минимальную концентрацию глубоких ловушек захвата и при этом обладать высокой адгезией к поверхности ν-слоя и устойчивостью к пробою. Исследование особенностей протекания фототока в диодных структурах, содержащих наноразмерные монослои диэлектрика с отмеченными выше характеристиками, показало, что такие слои обладают высокой, но конечной туннельной прозрачностью, причем прозрачность туннельного слоя, определяющего величину сквозного фототока, линейно и обратимо меняется в широких приделах при изменении интенсивности воздействующего освещения Thirdly, studies of the features of the flow of the photocurrent in GaAs diode structures created on the basis of the intrinsic semiconductor showed that, under illumination and any polarity of the applied voltage, the presence of nanodielectric monolayers leads to the fact that the magnitude of the through photocurrent in them is determined by the balance that is established in each of its surface regions between the photocarriers flowing from the semiconductor volume to the corresponding nanodielectric layer and the photocarriers flowing through the nanosize The black dielectric monolayer. The speed of establishing the balance and the magnitude of the photocurrent flowing through the nanoscale monolayer of the dielectric are determined by two quantities: the intensity of the illumination and the transparency of the tunnel barrier. The first of them, the intensity of the acting illumination, which determines the concentration of minority photocarriers flowing from the semiconductor volume to the corresponding electrodes of the diode structure, is directly proportional to the intensity of the acting illumination. The second, which determines the rate of establishment of the through-flow photocurrent flow and the magnitude of the photocurrent flowing through the nanoscale dielectric monolayer, depends on the probability of carrier tunneling through the potential barrier, is determined by the structural perfection of the layer, the presence of deep and shallow impurities in it, as well as the concentration and speed of free photocarriers, electric field strength at the layer boundary and other factors. Accordingly, this leads to the fact that the achievement of the task for the utility model is provided only with certain electrophysical characteristics of nanodielectric monolayers. It was experimentally established that such layers should be homogeneous monolayers of nanodielectric, which should have the same thickness <d> from 5 to 40 nm over the entire face area, have a low density of structural defects and contain a minimum concentration of deep capture traps in the band gap of the monolayer material and at the same time, have high adhesion to the surface of the ν layer and resistance to breakdown. A study of the features of the flow of the photocurrent in diode structures containing nanoscale dielectric monolayers with the characteristics noted above showed that such layers have a high but finite tunnel transparency, and the transparency of the tunnel layer, which determines the magnitude of the through photocurrent, varies linearly and reversibly in wide aisles with changing intensity impact lighting
и/или напряжения смещения. Как следствие эти особенности протекания сквозного фототока приводят к следующему:and / or bias voltage. As a result, these features of the flow through the photocurrent lead to the following:
- при воздействии освещения в режиме протекания сквозного фототока за счет частичного накопления заряда свободных фотоносителей у неосвещаемого электрода диодной структуры происходит пространственная перестройка электрического поля, причем для каждой величины смещающего напряжения и/или интенсивности воздействующего освещения на границе раздела неосвещаемой грани динамически устанавливаются свои величины сквозного фототока и напряженности электрического поля;- when the exposure to illumination in the flow-through photocurrent mode due to the partial accumulation of charge of free photocarriers at the non-illuminated electrode of the diode structure, the spatial field of the electric field occurs, and for each magnitude of the bias voltage and / or intensity of the illumination at the interface of the non-illuminated face, its values of the through photocurrent are dynamically set and electric field strength;
- при воздействии освещения реализуется однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими им характеристиками импульса фототока;- when exposed to lighting, an unambiguous correspondence is realized between the spatio-temporal and energy characteristics of the control light pulse and the corresponding characteristics of the photocurrent pulse;
- при генерации импульсов фототока и после окончания освещения в диодной структуре обеспечивается минимальное время самопроизвольного отекания наколенного заряда и минимальное время ухода домена во внешнюю цепь, поскольку из-за высокой скорости фотоносителей их перенос через слой происходит без захвата на примесные уровни наноразмерного монослоя диэлектрика.- during the generation of photocurrent pulses and after the end of illumination in the diode structure, the minimum time for spontaneous swelling of the knee charge and the minimum time for the domain to go into the external circuit are ensured, because due to the high speed of the photo-carriers, they are transported through the layer without being captured onto impurity levels of a nanoscale dielectric monolayer.
В результате в условиях постоянно приложенного напряжения V0~Vп(x) воздействие светового сигнала, мощность Р0 которого обеспечивает оптическую инжекция монополярного заряда, при которой выполняется критерий Кремера n0L1≥1012 см-2 (пороговая мощность), в объеме ν-слоя диодной структуре приводит к образованию неоднородного электрического поля . Достижение им значения в любой области ν-слоя диодной структуры приводит к возникновению в этой области ОДП (из-за «разогрева» части свободных фотоносителей в сильном поле и их переброса из нижней подзоны nI в верхнюю nII) и, как следствие, к образованию дипольного слоя обедненного свободными фотоносителями. Возникновение дипольного слоя, обладающего повышенным сопротивлением, вызывает быстрое перераспределение напряжения в ν-слое структуры: величина напряжения, падающего на дипольном слое, быстро растет, а в остальной области ν-слоя уменьшается. Такое динамическое перераспределение напряжения V0 сопровождается уменьшением плотности фототока, протекающего в структуре Jф, и нарастанием электрического поля в дипольном слое, которое происходит до тех пор, пока не достигнет значения, при котором дифференциальная подвижность электронов в диодной структуре вновь становится положительной dn/dE>0. После этого скорости электронов вне домена и в дипольном слое сравниваются. Накопление заряда As a result, under conditions of a constantly applied voltage V 0 ~ V p (x), the action of a light signal, power P 0 of which provides optical injection of a monopolar charge, at which the Kraemer criterion n 0 L 1 ≥10 12 cm -2 (threshold power), the volume of the ν layer of the diode structure leads to the formation of an inhomogeneous electric field . Reaching them value in any region of the ν-layer of the diode structure leads to the appearance of NDCs in this region (due to the “heating” of a part of free photocarriers in a strong field and their transfer from the lower subzone n I to the upper n II ) and, as a result, to the formation of a dipole layer depleted of free photo carriers. The appearance of a dipole layer with increased resistance causes a rapid redistribution of stress in the ν layer of the structure: the voltage incident on the dipole layer increases rapidly, and decreases in the rest of the region of the ν layer. Such a dynamic redistribution of the voltage V 0 is accompanied by a decrease in the density of the photocurrent flowing in the structure J f and an increase in the electric field in the dipole layer, which occurs until it reaches a value at which the differential electron mobility in the diode structure again becomes positive dn / dE > 0. After this, the electron velocities outside the domain and in the dipole layer are compared. Charge accumulation
в дипольном слое прекращается и сформировавшийся дипольный слой заряда в виде узко локализованной области сильного электрического поля (электрического домена) дрейфует в неоднородном поле со скоростью, приблизительно равной скорости носителей вне домена, от места его образования в ν-слое к анодному контакту. Достигнув анода, домен уходит во внешнюю цепь, что сопровождается появлением в цепи, содержащей образец, колебания фототока. При этом его уход во внешнюю цепь приводит к быстрому восстановлению величины неоднородного распределения электрического поля и плотности фототока, существовавшими в структуре до образования домена, и процесс его спонтанного формирования повторяется вновь.in the dipole layer, the formed dipole charge layer in the form of a narrowly localized region of a strong electric field (electric domain) drifts in an inhomogeneous field at a rate approximately equal to the velocity of carriers outside the domain, from the place of its formation in the ν layer to the anode contact. Having reached the anode, the domain goes into the external circuit, which is accompanied by the appearance of photocurrent fluctuations in the circuit containing the sample. Moreover, its departure into the external circuit leads to a quick recovery of the inhomogeneous distribution of the electric field and the photocurrent density that existed in the structure before the formation of the domain, and the process of its spontaneous formation is repeated again.
В пролетном режиме генерации частота генерируемых колебаний f, возникающих при пороговых значениях величины приложенного напряжения Vп(x) и мощности импульсного освещения Р0, зависит только от длины образца L1 и определяется выражением: f=1/T, где Т - период колебания. Соответственно, период генерируемых колебаний фототока, возникающих при изменении V0 и/или Р0, определяется соотношением:In the transit mode of generation, the frequency of the generated oscillations f that occur at threshold values of the applied voltage V p (x) and the power of pulsed illumination P 0 depends only on the length of the sample L 1 and is determined by the expression: f = 1 / T, where T is the period of oscillation . Accordingly, the period of the generated photocurrent oscillations that occur when V 0 and / or P 0 changes is determined by the ratio:
а распределение неоднородного электрического поля и плотность монополярного фототока Jф в диодной структуре определяются выражениями (2) и (3) соответственно:and the distribution of an inhomogeneous electric field and the density of the monopolar photocurrent J f in the diode structure are determined by the expressions (2) and (3), respectively:
иand
где: L1 - расстояние между контактами, ldom. - ширина домена, - подвижность носителей в неоднородном поле, - подвижность носителей в неоднородном поле вне домена, дрейфовая скорость носителей в неоднородном поле, χ - относительная диэлектрическая проницаемость, Vν - напряжение, распределяющееся в области структуры вне домена, Edom. - напряженность электрического поля в домене.where: L 1 is the distance between the contacts, l dom. - domain width - carrier mobility in an inhomogeneous field, - carrier mobility in an inhomogeneous field outside the domain, drift velocity of carriers in an inhomogeneous field, χ - relative permittivity, V ν - voltage is distributed in the region outside the domain structure, E dom. - electric field strength in the domain.
Помимо указанных выше существенных признаков, также важным признаком устройства является выполнение охранных диэлектрических колец шириной 250-300 In addition to the above essential features, also an important feature of the device is the implementation of protective dielectric rings with a width of 250-300
мкм на двух противоположных освещаемых гранях диодной структуры. При этом каждое из охранных колец должно быть выполнено по периметру каждой из освещаемых граней и охватывать нанодиэлектрический слой, оптически прозрачный металлический электрод и просветляющее покрытие, выполненные на поверхности грани. Необходимость введения в конструкцию диодной структуры указанных слоев обусловлена тем, что при ряде режимов генерация колебаний фототока происходит в условиях больших внутренних электрических полей, причем при генерации дополнительно к внутреннему полю добавляется еще поле домена. (Например, в диодной структуре на основе GaAs при формировании освещением одиночного домена с пикосекундными фронтами при средней ширине домена мкм напряженность поля в домене может достигать В/см, что сопоставимо с напряжением пробоя, которое для GaAs составляет В/см). Все это приводит к тому, что при глубине полного поглощения управляющего света от 1 до 5 мкм в диодной структуре резко возрастает величина поверхностных фототоков. Соответственно, при большой плотности поверхностных состояний NS, содержащихся на поверхности боковых граней после обработки монокристалла, в условиях больших интенсивностей освещения I0 и при высоком напряжении смещения V0 увеличение поверхностной составляющей фототока может приводить к закоротке электродов по поверхности любой из боковых граней структуры. Соответственно, выполнение диэлектрического охранного кольца на поверхности граней по периметру дает возможность обеспечить «электрическую развязку» между гранями диодной структуры, содержащими оптически прозрачные металлические электроды и тем самым исключить возможность электрического пробоя структуры. В качестве диэлектрических слоев, обеспечивающих диэлектрическую развязку между электродами диодной структуры, могут быть использованы диэлектрические пленки, например пленки SiO2, Si3N4, Аl2О3 толщиной 5-10 мкм, широко используемые в микроэлектронике.microns on two opposite illuminated faces of the diode structure. Moreover, each of the guard rings should be made along the perimeter of each of the illuminated faces and cover the nanodielectric layer, an optically transparent metal electrode and an antireflective coating, made on the surface of the face. The necessity of introducing the indicated layers into the design of the diode structure is due to the fact that, in a number of modes, the generation of photocurrent oscillations occurs under conditions of large internal electric fields, and during generation in addition to the internal field another domain field is added. (For example, in a GaAs-based diode structure when lighting forms a single domain with picosecond fronts with an average domain width μm the field strength in the domain can reach V / cm, which is comparable to the breakdown voltage, which for GaAs is W / cm). All this leads to the fact that at a depth of complete absorption of control light from 1 to 5 μm in the diode structure, the magnitude of the surface photocurrents sharply increases. Accordingly, at a high density of surface states N S contained on the surface of the side faces after processing the single crystal, under conditions of high illumination intensities I 0 and at a high bias voltage V 0, an increase in the surface component of the photocurrent can lead to electrode shorting along the surface of any of the side faces of the structure. Accordingly, the implementation of a dielectric guard ring on the surface of the faces along the perimeter makes it possible to provide "electrical isolation" between the faces of the diode structure containing optically transparent metal electrodes and thereby exclude the possibility of electrical breakdown of the structure. As dielectric layers providing dielectric isolation between the electrodes of the diode structure, dielectric films can be used, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 films with a thickness of 5-10 μm, widely used in microelectronics.
Кроме того, значительно снизить величину поверхностных фототоков при воздействии управляющего оптического сигнала позволяет выполнение просветляющего покрытия. Его нанесение поверх оптически прозрачных электродов необходимо также потому, что включение данного слоя позволяет существенно снизить интенсивность управляющего оптического сигнала, воздействующего на структуру, за счет практически полного подавления отражения света от освещаемой грани структуры. (Например, для GaAs, содержащего на полированной поверхности только оптически прозрачный In addition, significantly reduce the magnitude of the surface photocurrents when exposed to a control optical signal allows the implementation of an antireflection coating. Its application on top of optically transparent electrodes is also necessary because the inclusion of this layer can significantly reduce the intensity of the control optical signal acting on the structure due to the almost complete suppression of light reflection from the illuminated face of the structure. (For example, for GaAs containing only optically transparent on a polished surface
металлический электрод, потери на отражении составляют η≈40-45%). Поэтому выполнение просветляющего покрытия дает возможность не только снизить поверхностные фототоки, но и пороговую мощность управляющего оптического сигнала, при котором возникает генерация импульсов фототока. В качестве просветляющего покрытия может быть использована пленка Si3N4, толщина которой составляет четверть длины волны света, освещающего диодную структуру.metal electrode, reflection loss is η≈40-45%). Therefore, the implementation of an antireflection coating makes it possible not only to reduce surface photocurrents, but also the threshold power of the control optical signal, at which photocurrent pulse generation occurs. As an antireflection coating, a Si 3 N 4 film can be used, the thickness of which is a quarter of the wavelength of light illuminating the diode structure.
Таким образом, совместное действие всех указанных выше существенных признаков приводит к тому, что у новой совокупности, по сравнению с прототипом, появляется ряд новых свойств:Thus, the combined effect of all the above essential features leads to the fact that the new population, in comparison with the prototype, has a number of new properties:
- образование изменяемой по величине отрицательной дифференциальной фотопровопроводимости, приводящей к формированию объемной фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида только за счет воздействующего освещения;- the formation of a variable negative negative photoconductivity, leading to the formation of a volumetric photocurrent domain instability of a drift type only due to exposure to light;
- формирование освещением неоднородного профиля распределения электрического поля, которое также сохраняется неоднородным в ν-области структуры вне домена при возникновении домена и его переносе через структуру;- the formation by illumination of the inhomogeneous profile of the distribution of the electric field, which also remains inhomogeneous in the ν region of the structure outside the domain when a domain occurs and is transferred through the structure;
- параметрическая зависимость величины ОДП, напряженности неоднородного электрического поля и поля вне домена , а также характера их распределения от основных внешних и внутренних макро- и микропараметров, характеризующих диодную структуру - parametric dependence of the magnitude of the NDC, the intensity of the inhomogeneous electric field and fields outside the domain , as well as the nature of their distribution from the main external and internal macro- and microparameters characterizing the diode structure
Для повышения частоты генерации в режиме подавления домена оптический генератор СВЧ импульсов дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему, источник управляющих оптических импульсов, ось излучения которого перпендикулярна второй грани диодной структуры, содержащей нано-размерный монослой диэлектрика и просветляющее покрытие. При этом оба источника управляющего света должны обеспечивать формирование управляющих импульсов как независимо друг от друга, так и совместно.To increase the frequency of generation in the domain suppression mode, the microwave microwave optical generator additionally contains a second source of control optical pulses located parallel to the first and similar to it, the axis of radiation of which is perpendicular to the second face of the diode structure containing a nanoscale dielectric monolayer and an antireflective coating. In this case, both sources of control light must ensure the formation of control pulses both independently of each other and together.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема оптического СВЧ генератора, генерирующего импульсы фототока при различных режимах генерации и освещении его импульсами света прямоугольной формы 16, 17, 18, а также импульсами управляющего света сложной формы (треугольной 19, пилообразной 20, синусоидальной 21, меандр 22), на фиг.2 - отдельно, приведена конструкция диодной структуры, на фиг.3 представлена фотография осциллограммы импульса The essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general diagram of an optical microwave generator that generates photocurrent pulses for various modes of generation and illumination by rectangular pulses of light 16, 17, 18, as well as complex control pulses (triangular 19, sawtooth 20, sinusoidal 21, meander 22), in Fig.2 - separately, shows the design of the diode structure, Fig.3 shows a photograph of the waveform of the pulse
фототока, генерируемого при одновременном освещении управляющим импульсом прямоугольной формы 16 (см. фиг.1, позиция - 16, режим статического домена), на фиг.4 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при одновременном освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 16 и вторым импульсом управляющего света прямоугольной формы 17 (см. фиг.1, позиция - 16, 17, режим подавления домена), на фиг.5 представлена фотография осциллограммы одиночного импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света прямоугольной формы 16 (см. фиг.1, позиция - 16, триггерный режим), на фиг.6 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, пролетный режим генерации), на фиг.7 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света треугольной формы 19 (см. фиг.1, позиция - 19), на фиг.8 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемого при освещении импульсом света пилообразной формы 20 (см. фиг.1, позиция - 20), на фиг.9 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света синусоидальной формы 18, (см. фиг.1, позиция - 21), на фиг.10 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении периодическим импульсом света (см. фиг.1, позиция - 22, меандр), на фиг.11 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, возникающих в результате сложения двух одновременно генерируемых импульсов фототока при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, режим биения), на фиг.12 представлена фотография осциллограммы импульсов фототока, генерируемых при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 (см. фиг.1, позиция - 18, многодоменный режим), на фиг.13 представлен в двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики диодной структуры, содержащей участок, на котором происходит изменение частоты генерируемых колебаний: I - при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 постоянной мощности и изменении величины смещающего напряжения; II - при постоянной величине смещающего напряжения и изменении мощности прямоугольного импульса управляющего света 18 (см. фиг.1, позиция 18, режим перестройки частоты генерируемых колебаний), на фиг.14 представлена фотография осциллограммы импульса фототока, генерируемого при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 при постоянном пороговом напряжении смещения photocurrent generated under simultaneous illumination by a control pulse of rectangular shape 16 (see Fig. 1, position 16, static domain mode), Fig. 4 shows a photograph of the waveform of a photocurrent pulse generated by simultaneous illumination by a control pulse of rectangular shape 16 and a second pulse rectangular control light 17 (see Fig. 1, position 16, 17, domain suppression mode), Fig. 5 shows a photograph of an oscillogram of a single photocurrent pulse generated when a light pulse illuminates, angular shape 16 (see figure 1, position 16, trigger mode), Fig.6 shows a photograph of the waveform of the photocurrent pulses generated when illuminated by a rectangular light pulse 18 (see Fig.1, position 18, span generation mode ), Fig. 7 is a photograph of the waveform of the photocurrent pulse generated when a triangular shape light illuminates with a light pulse 19 (see Fig. 1, position 19), Fig. 8 is a photograph of a waveform of a photocurrent pulse generated by a sawtooth shape illuminating with a light pulse 20 (cm. figure 1, position - 20), figure 9 presents a photograph of the waveform of the photocurrent pulses generated when the light pulse illuminates a sinusoidal shape 18, (see figure 1, position - 21), figure 10 shows a photograph of the waveform of the photocurrent pulses, generated when illuminated by a periodic light pulse (see Fig. 1, position 22, meander), Fig. 11 shows a photograph of the waveform of photocurrent pulses resulting from the addition of two simultaneously generated photocurrent pulses when illuminated by a rectangular light pulse 18 (see Fig. .1, position - 18, runout mode), Fig. 12 shows a photograph of the waveform of the photocurrent pulses generated when a light pulse of rectangular shape 18 illuminates (see Fig. 1, position - 18, multi-domain mode), Fig. 13 is shown in on a double logarithmic scale, a graph of the average time-time current-voltage characteristics of the diode structure containing the section where the frequency of the generated oscillations changes: I - when a rectangular light 18 illuminates with constant power and changes the magnitude of the bias voltage; II - with a constant value of the bias voltage and a change in the power of the rectangular pulse of the control light 18 (see Fig. 1, position 18, the mode of tuning the frequency of the generated oscillations), Fig. 14 shows a photograph of the waveform of the photocurrent pulse generated by illuminating with a rectangular light pulse 18 at a constant threshold bias voltage
и увеличении мощности управляющего оптического импульса (см. фиг.1, позиция 18, апериодический режим генерации). На всех фотографиях приведена шкала деления временной развертки (μs/sm, ns/sm) и чувствительности (mV/sm, V/sm) осциллографа, при которых происходила регистрация формы, а также временных и энергетических характеристик генерируемых импульсов фототока.and increasing the power of the control optical pulse (see figure 1, position 18, aperiodic generation mode). All photographs show the time division scale (μs / sm, ns / sm) and the sensitivity (mV / sm, V / sm) of the oscilloscope, at which the shape and time and energy characteristics of the generated photocurrent pulses were recorded.
На фиг.1:In figure 1:
1 - ν-слой;1 - ν layer;
2 - наноразмерный монослой диэлектрика;2 - nanoscale monolayer dielectric;
3 - оптически прозрачный электрод;3 - optically transparent electrode;
4 - просветляющее покрытие;4 - antireflection coating;
5 - диэлектрическое охранное кольцо;5 - dielectric security ring;
6 - электрический контакт;6 - electrical contact;
7 - источник смещающего напряжения;7 - source of bias voltage;
8 - сопротивление нагрузки;8 - load resistance;
9 - регистрирующее устройство;9 - recording device;
10 - источник управляющего света;10 - source of control light;
11 - оптическая система;11 - optical system;
12 - второй источник управляющего света;12 - the second source of control light;
13 - вторая оптическая система;13 - the second optical system;
14 - ось излучения от источника управляющего света;14 - axis of radiation from a source of control light;
15 - ось излучения от второго источника управляющего света;15 - axis of radiation from a second source of control light;
16 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый источником управляющего света;16 is an optical pulse of a rectangular shape formed by a control light source;
17 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый вторым источником управляющего света;17 - a rectangular optical pulse generated by a second control light source;
18 - оптический импульс прямоугольный формы, формируемый источником управляющего света;18 is an optical pulse of a rectangular shape formed by a control light source;
19 - оптический импульс треугольной формы, формируемый источником управляющего света;19 is an optical pulse of a triangular shape formed by a control light source;
20 - оптический импульс пилообразной формы, формируемый источником управляющего света;20 is an sawtooth-shaped optical pulse generated by a control light source;
21 - оптический импульс синусоидальной формы, формируемый источником управляющего света;21 is an optical pulse of a sinusoidal shape formed by a control light source;
22 - периодический оптический импульс прямоугольный формы (меандр), формируемый источником управляющего света.22 - periodic optical pulse of a rectangular shape (meander), formed by a control light source.
Диодная структура (см. фиг.2) включает в себя ν-слой высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью 1, два наноразмерных монослоя диэлектрика 2, аналогичных друг другу и расположенных симметрично относительно ν-слоя 1 между ν-слоем 1 и оптически прозрачными электродами 3, два оптически прозрачных электрода 3, аналогичных друг другу, каждый из которых выполнен на внешней поверхности наноразмерного монослоя диэлектрика 2, два аналогичных друг другу просветляющих покрытия 4, каждое из которых нанесено на внешнюю сторону оптически прозрачного металлического электрода 3, два аналогичные друг другу охранных кольца 5, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика 2, оптически прозрачный электрод 3 и просветляющее покрытие 4, два электрических контакта 6, аналогичных друг другу и расположенных симметрично на одной из граней ν-слоя 1, перпендикулярной грани, содержащей наноразмерный монослой диэлектрика 2, оптически прозрачный электрод 3 и просветляющее покрытие 4, каждый из которых электрически соединен с оптически прозрачными электродами 3 и источником смещающего напряжения 7, сопротивление нагрузки 8, электрически соединенное с регистрирующим устройством 9, источником смещающего напряжения 7 и одним из электрических контактов 6.The diode structure (see Fig. 2) includes an ν layer of a high-resistance direct-gap semiconductor crystal having intrinsic conductivity 1, two nanoscale monolayer dielectrics 2, similar to each other and located symmetrically with respect to the ν layer 1 between the ν layer 1 and optically transparent electrodes 3, two optically transparent electrodes 3, similar to each other, each of which is made on the outer surface of a nanoscale monolayer of dielectric 2, two antireflective coatings 4 similar to each other, each of which is nan hay on the outside of the optically transparent metal electrode 3, two guard rings 5 similar to each other, each of which covers a perimeter nanoscale monolayer of dielectric 2, an optically transparent electrode 3 and an antireflection coating 4, two electrical contacts 6, similar to each other and located symmetrically on one of the faces of the ν layer 1, perpendicular to the face containing a nanoscale monolayer of dielectric 2, an optically transparent electrode 3 and an antireflection coating 4, each of which is electrically connected to optically transparent electrodes 3 and a bias voltage source 7, a load resistance 8 electrically connected to a recording device 9, a bias voltage source 7 and one of the electrical contacts 6.
Ось излучения 14 от источника управляющего света 10 формируется оптической системой 11 и перпендикулярна плоскости просветляющего покрытия 4, а ось излучения 15 от второго источника управляющего света 12 формируется оптической системой 13 и перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия 4.The axis of radiation 14 from the source of control light 10 is formed by the optical system 11 and is perpendicular to the plane of the antireflective coating 4, and the axis of radiation 15 from the second source of control light 12 is formed by the optical system 13 and perpendicular to the plane of the second antireflection 4.
Оптический генератор СВЧ импульсов работает следующим образом. К оптически прозрачным металлическим электродам 3 через электрические контакты 6 от источника смещающего напряжения 7 прикладывается постоянное напряжение, величина которого обеспечивает в ν-слое диодной структуры 1 однородное темновое электрическое поле, соответствующее пороговому полю генерации Еп(х). Освещение структуры любым из импульсов управляющего света, пространственно-временные и энергетические характеристики которого формируются источником управляющего света 10 и оптической системой 11, приводит к генерации электронно-дырочных пар и к их разделению на границе раздела освещаемой грани ν-слоя 1 - наноразмерный монослои диэлектрика 2. При этом один тип носителей стекает во внешнюю цепь через освещаемый An optical microwave pulse generator operates as follows. A constant voltage is applied to the optically transparent metal electrodes 3 through the electrical contacts 6 from the bias voltage source 7, the value of which provides a uniform dark electric field in the ν-layer of the diode structure 1 corresponding to the generation threshold field E p (x). Illumination of the structure by any of the pulses of the control light, the spatio-temporal and energy characteristics of which are formed by the control light source 10 and the optical system 11, leads to the generation of electron-hole pairs and to their separation at the interface of the illuminated face of the ν layer 1 — nanoscale monolayer of dielectric 2 . In this case, one type of media flows into the external circuit through the illuminated
электрод, а второй под действием электрического поля дрейфует к электроду, противоположному освещаемому, где происходит его частичное накопление в объеме ν-слоя на границе раздела ν-слоя 1 - наноразмерный монослои диэлектрика 2. В результате частичное накопление монополярного заряда свободных фотоносителей на границе раздела приводит на время действия освещения к пространственной перестройке электрического поля в объеме ν-слоя 1, что ведет к росту напряженности электрического поля у неосвещаемой грани диодной структуры и, соответственно, к ее уменьшению у освещаемой грани. (Например, при подаче потенциала отрицательной полярности на оптически прозрачный электрод грани, освещаемой импульсом управляющего света, увеличение напряженности электрического поля в объеме высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла происходит в ν-слое 1 на границе раздела у неосвещаемого электрода, к которому приложен потенциал положительной полярности). В свою очередь, рост напряженности электрического поля в приконтактной области ν-слоя 1 у неосвещаемого электрода до величины, превышающей Еп(х), приводит к образованию ОДП в этой области и, как следствие, к генерации импульсов фототока. В тоже время, поскольку конечная величина и пространственно-временной профиль неоднородного электрического поля , устанавливающийся при освещении в ν-слое 1 диодной структуры, взаимооднозначно определяются совокупностью внешних и внутренних макро- и микропараметров, характеризующих диодную структуру, то при определенных соотношениях между величиной приложенного к диодной структуре напряжения V0 и пространственно-временными и мощностными характеристиками импульса управляющего света Р реализуются различные режимы генерации, при которых оптический генератор обеспечивает генерацию импульсов фототока определенного вида, причем независимо от режима генерации механизм образования доменов сильного поля в оптическом генераторе одинаков и соответствует описанному выше.the electrode, and the second drifts under the influence of an electric field to the electrode opposite to the illuminated one, where it partially accumulates in the volume of the ν layer at the interface of the ν layer 1 — nanoscale dielectric monolayers 2. As a result, the partial accumulation of the monopolar charge of free photocarriers at the interface leads for the duration of the illumination to the spatial restructuring of the electric field in the volume of the ν layer 1, which leads to an increase in the electric field strength at the unlit face of the diode structure and, accordingly about, in a decrease in the illuminated face. (For example, when a potential of negative polarity is applied to an optically transparent electrode of a face illuminated by a control light pulse, an increase in the electric field strength in the volume of a high-impedance direct-gap semiconductor crystal occurs in ν layer 1 at the interface near the unlit electrode, to which a potential of positive polarity is applied). In turn, an increase in electric field strength in the near-contact region of the ν layer 1 at the non-illuminated electrode to a value exceeding E p (x), leads to the formation of NDC in this region and, as a result, to the generation of photocurrent pulses. At the same time, since the final value and the spatio-temporal profile of the inhomogeneous electric field , which is established during illumination in the ν layer 1 of the diode structure, are mutually unambiguously determined by the combination of external and internal macro- and microparameters characterizing the diode structure, then at certain ratios between the value of the voltage V 0 applied to the diode structure and the spatio-temporal and power characteristics of the control light pulse P various generation modes are implemented in which the optical generator provides the generation of photocurrent pulses of a certain type, and regardless of the mode The generation mechanism of the strong field domains in the optical generator is the same and corresponds to that described above.
Режим статического домена (см. фиг.3) - режим генерации, при котором происходит образование статического домена реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V0≥2Vп(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 16, формируемым источником управляющего света 10 мощностью Р=P0, длительность которого Тимп. осв.≤2tпрол., где tпрол. - время пролета основных фотоносителей через диодную структуру.Static domain mode (see Fig. 3) - the generation mode in which a static domain is formed is realized in a diode structure with a constant bias voltage V 0 ≥2V p (x) and illumination with a rectangular optical pulse 16 formed by a control light source 10 of power P = P 0 , the duration of which is T imp. con. ≤2t prol. where t prol . - time of flight of the main photocarriers through the diode structure.
Режим подавления домена (см. фиг.4) - режим генерации, при котором сразу после образования домена происходит его гашение, т.е. домен не перемещается в диодной The domain suppression mode (see Fig. 4) is the generation mode in which, immediately after the formation of the domain, it is extinguished, i.e. the domain does not move in the diode
структуре от области его образования до анодного контакта, что обеспечивает максимальную частоту генерации. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V0≥2Vп(x) и одновременном освещении оптическим импульсом прямоугольной формы, формируемым источником управляющего света 16 и оптическим импульсом прямоугольной формы, формируемым вторым источником управляющего света 17, которые имеют одинаковую длительность τимп. осв.=tпрол. и мощность Р=P0.structure from the region of its formation to the anode contact, which ensures the maximum generation frequency. This mode is implemented in a diode structure with a constant bias voltage V 0 ≥2V p (x) and simultaneous illumination by a rectangular optical pulse generated by the control light source 16 and a rectangular optical pulse formed by the second control light source 17, which have the same duration τ imp . con. = t prol. and power P = P 0 .
Триггерный режим генерации (см. фиг.5) - режим генерации, при котором происходит генерация одиночного импульса и его перенос в объеме диодной структуры от области образования до анодного контакта. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V0≥Vп(x) и освещении одиночным оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, длительность которого τимп. осв.»tпрол, при мощности управляющего оптического импульса Р=P0.The trigger generation mode (see Fig. 5) is the generation mode in which a single pulse is generated and transferred in the volume of the diode structure from the formation region to the anode contact. This mode is implemented in a diode structure with a constant bias voltage V 0 ≥V p (x) and illumination with a single rectangular optical pulse 18, formed by a control light source 10, the duration of which is τ imp. con. »T prol , with the power of the control optical pulse P = P 0 .
Пролетный режим генерации (см. фиг.6) - режим генерации, при котором происходит высокочастотная генерация с постоянным периодом колебаний, близким к времени пролета носителей, а длительность генерации определяется длительностью управляющего оптического импульса. Данный режим реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V0≥2Vп(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, имеющим постоянную мощность Р»Р0, при превышении минимальной длительности управляющего оптического сигнала τимп. осв.>3tпрол.Span generation mode (see Fig.6) is a generation mode in which high-frequency generation occurs with a constant oscillation period close to the time of flight of carriers, and the generation duration is determined by the duration of the control optical pulse. This mode is implemented in a diode structure with a constant bias voltage V 0 ≥2V p (x) and illumination with a rectangular rectangular optical pulse 18 formed by a control light source 10 having a constant power P »P 0 , when the minimum control optical signal duration τ imp is exceeded . con. > 3t prol .
Режим генерации импульсов фототока сложной формы - режим генерации, при котором огибающая генерируемых импульсов фототока взаимно однозначно повторяет форму управляющего оптического импульса сложной формы. Данный режим реализуется в диодной структуре при ее освещении оптическим импульсом любой формы, формируемым источником управляющего света 10: треугольной формы 19 (см. фиг.7), пилообразной формы 20 (см. фиг.8), синусоидальной формы 21 (см. фиг.9), периодическими импульсами прямоугольной формы 22 (меандр) (см. фиг.10). При этом генерация импульсов фототока любой сложной формы происходит при постоянном напряжение смещения V0=Vп(x) и освещении импульсами света 19, 20, 21, 22 мощностью Р=2 Р0, длительность которых существенно превышает время пролета фотоносителей τимп. осв.»tпрол.The mode of generating pulses of a photocurrent of complex shape is the mode of generation in which the envelope of the generated pulses of the photocurrent is one-to-one repeats the shape of a control optical pulse of complex shape. This mode is implemented in a diode structure when it is illuminated by an optical pulse of any shape formed by a control light source 10: a triangular shape 19 (see Fig. 7), a sawtooth shape 20 (see Fig. 8), a sinusoidal shape 21 (see Fig. 9), periodic pulses of rectangular shape 22 (meander) (see figure 10). In this case, the generation of photocurrent pulses of any complex shape occurs at a constant bias voltage V 0 = V p (x) and illumination by light pulses 19, 20, 21, 22 with a power of P = 2 P 0 , the duration of which significantly exceeds the transit time of the photocarriers τ imp. con. "T prol .
Многодоменный пролетный режим (см. фиг.11, 12) - режим генерации, при котором происходит генерация нескольких импульсов фототока одновременно (двух, трех, четырех, биения и т.д.) - реализуется в диодной структуре при постоянном напряжение смещения V0≥1,5 Vп(x) и освещении оптическим импульсом прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, имеющим постоянную мощность Р≥2Р0, при длительности управляющего оптического импульса τимп. осв.»tпрол.. При указанных значениях V0 и Р в диодной структуре реализуется двухдоменный пролетный режим, при котором увеличение напряжения диапазоне от 1,65 до 1,8 Vп(x) либо мощности импульса управляющего света в диапазоне 2,4-2,6 Р0 приводит к возникновению биений (см. фиг.11). Трехдоменный и четырехдоменный режим генерации реализуется при дальнейшем увеличении напряжения смещения V0 до величины 2,5 Vп(x) и/или мощности импульса управляющего света до величины от 3 до 4 Р0.A multi-domain flyby mode (see Figs. 11, 12) —a generation mode in which several photocurrent pulses are generated simultaneously (two, three, four, beats, etc.) —are implemented in a diode structure with a constant bias voltage V 0 ≥ 1.5 V p (x) and illumination with a rectangular optical pulse 18 formed by a control light source 10 having a constant power P≥2P 0 , with a control optical pulse duration of τ imp. con. "T prol. . At the indicated values of V 0 and P, a two-domain span mode is implemented in the diode structure, in which an increase in voltage in the range from 1.65 to 1.8 V p (x) or in the power of a control light pulse in the range of 2.4-2.6 P 0 to the occurrence of beats (see 11). The three-domain and four-domain generation mode is realized with a further increase in the bias voltage V 0 to 2.5 V p (x) and / or the pulse power of the control light to a value from 3 to 4 P 0 .
Режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13 (I, II) - режим генерации, при котором независимо от формы управляющего оптического сигнала происходит линейное и обратимое изменение частоты генерируемых колебаний при линейном увеличении или уменьшении напряжения смещения или/и мощности управляющего оптического сигнала при их изменении от пороговых значений до значений, при которых происходит срыв генерации. Данный режим генерации реализуется в диодной структуре в два этапа. На первом этапе при постоянном напряжении смещения V0=Vп(x) и освещении одиночным оптическим импульсом прямоугольной формы 18 длительностью τимп. осв.»tпрол., формируемым источником управляющего света 10 при мощности управляющего оптического импульса Р=Р0, обеспечивается генерация одиночного импульса. На втором этапе в зависимости от изменяемого внешнего макропараметра, т.е. изменения величины прикладываемого напряжения V0 или мощности управляющего оптического импульса 18, а также при их совместном изменении, режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13 (I, II) реализуется различным образом. Обратимое, линейное изменение частоты генерируемых колебаний в за счет изменения величины прикладываемого напряжения V0 реализуется в диодной структуре при Р=Р0 и линейном изменении V0 от Vп(x) до Vc, где Vc - напряжение, при котором происходит срыв генерации, а обратимое изменение частоты генерируемых колебаний за счет изменения мощности Р управляющего оптического импульса 18 реализуется в диодной структуре при постоянном напряжении смещения V0=Vп(x) и линейном изменении мощности управляющего оптического импульса от Р0 до Рс, где Рс The tuning mode of the frequency of the generated oscillations (see Fig. 13 (I, II) is the generation mode in which, regardless of the shape of the control optical signal, a linear and reversible change in the frequency of the generated oscillations occurs with a linear increase or decrease in the bias voltage and / or power of the control optical signal when they change from threshold values to values at which the generation is interrupted, this generation mode is implemented in a diode structure in two stages. At the first stage, at a constant bias voltage V 0 = V p (x) and illuminated by a single rectangular optical pulse of 18 duration τ imp. Illumination »t prol. , Formed by a control light source 10 at a control optical pulse power of P = P 0 , a single pulse is generated. depending on the variable external macroparameter, i.e., the change in the magnitude of the applied voltage V 0 or the power of the control optical pulse 18, as well as when they are changed together, the frequency tuning mode of the generated oscillations (see Fig (I, II) is implemented in various ways. A reversible, linear change in the frequency of the generated oscillations due to a change in the magnitude of the applied voltage V 0 is realized in the diode structure at P = P 0 and a linear change in V 0 from V p (x) to V c , where V c is the voltage at which a breakdown occurs generation, and a reversible change in the frequency of the generated oscillations due to a change in the power P of the control optical pulse 18 is realized in the diode structure with a constant bias voltage V 0 = V p (x) and a linear change in the power of the control optical pulse from P 0 to P s , where P s
- мощность оптического импульса, при которой происходит срыв генерации. Также обратимое изменение частоты генерируемых колебаний при одновременном изменении двух внешних макропараметров V0, P реализуется аналогичным образом при линейном изменении V0 от Vп(x) до Vc и Р от Р0 до Рс.- the power of the optical pulse at which the generation fails. Also, a reversible change in the frequency of the generated oscillations with a simultaneous change in two external macroparameters V 0 , P is realized in a similar way with a linear change in V 0 from V p (x) to V c and P from P 0 to P s .
Управление величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации) - режим генерации одиночного импульса, при котором управление величиной порогового напряжения генерации осуществляется за счет управления мощностью оптического сигнала.Control of the threshold generation voltage (threshold generation field) is a single pulse generation mode in which the threshold generation voltage is controlled by controlling the optical signal power.
Данный режим генерации реализуется в диодной структуре при освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, при длительности оптического импульса τимп. осв.»τпрол., причем управление величиной порогового напряжения генерации Vп(x)=L1Eп(x) происходит в определенном диапазоне изменений внешних и внутренних параметров Vп(x), Р0, при которых для порогового поля генерации Еп(х) одиночного домена выполняется соотношение Еп(х)=EР(x)/EV(x), где ЕP(х) - напряженность электрического поля, создаваемая фотогенерированным зарядом свободных фотоносителей при освещении импульсом управляющего света прямоугольной формы 18, а ЕV(х) - напряженность электрического поля, создаваемая источником смещающего напряжения 7. При этом минимальная величина Vп(x), при которой происходит генерация одиночного домена, обеспечивается при величине Vп(x)=0,12 Еп(х) и освещении импульсом управляющего света мощностью P01, а максимальная величина Vп(x) обеспечивается при значениях Vп(x) от 0,8 до 0,9 Еп(х) и мощности управляющего света Р02, где P01, P02 - пороговые мощности импульса управляющего света, соответствующие минимальному и максимальному значению порогового напряжения генерации Vп(x), при которых происходит генерация одиночного домена.This generation mode is realized in a diode structure when a rectangular control light 18 is generated by a control light pulse formed by a control light source 10, with an optical pulse duration τ imp. con. »Τ prol. moreover, the magnitude of the generation threshold voltage V p (x) = L 1 E p (x) is controlled in a certain range of changes in the external and internal parameters V p (x), P 0 , for which a single generation threshold field E p (x) domain holds the relation E p (x) = E P (x) / E V (x), where E P (x) is the electric field created by the photogenerated charge of free photocarriers when illuminated with a control pulse of rectangular shape 18, and E V ( x) is the electric field created by the bias voltage source 7. When this minimum value V n (x), at which the generation of single domain is provided at a value of V f (x) = 0,12 E n (x) and the light pulse of the control light power P 01, and the maximum value V n (x ) is provided at values of V p (x) from 0.8 to 0.9 E p (x) and the power of the control light P 02 , where P 01 , P 02 are the threshold power of the control light pulse corresponding to the minimum and maximum value of the threshold generation voltage V p (x) at which a single domain is generated.
Апериодический режим генерации (см. фиг.14) - режим генерации, при котором мощность управляющего оптического сигнала позволяет управлять числом и периодом генерируемых импульсов - реализуется в диодной структуре при постоянном V0 ~ от 0,1 до 0,15 Еп(х) и изменении мощности Р импульса управляющего света прямоугольной формы 18, формируемым источником управляющего света 10, от Р0 до Рс при длительности оптического импульса τимп. осв.»τпрол.Aperiodic generation mode (see Fig. 14) - the generation mode in which the power of the control optical signal allows you to control the number and period of the generated pulses - is implemented in the diode structure at a constant V 0 ~ from 0.1 to 0.15 E p (x) and changing the power P of the control light pulse of rectangular shape 18 formed by the control light source 10, from P 0 to P with the duration of the optical pulse τ imp. con. »Τ prol .
Большинство из приведенных выше режимов аналогичны режимам генерации, которые реализуются в диодах Ганна различными методами (в том числе и при работе Most of the above modes are similar to the generation modes that are implemented in Gunn diodes by various methods (including during operation
диодов в настраиваемой LCR - цепи) [см., например: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: Сов. Радио, 1975. стр.164-212]. Поэтому оптический генератор СВЧ импульсов может рассматриваться как «оптический аналог» классического диода Ганна, поскольку он обеспечивает генерацию импульсов фототока, но только при воздействии оптического сигнала.diodes in a custom LCR circuit) [see, for example: Levinstein M.E., Pozhela Yu.K., Shur M.S. Gann effect. - M .: Owls. Radio, 1975. pp. 164-212]. Therefore, the optical microwave pulse generator can be considered as the “optical analogue” of the classic Gunn diode, since it provides the generation of photocurrent pulses, but only when exposed to an optical signal.
Пример конкретного выполненияConcrete example
Структуры М1ТД1ПТД2М2, используемые в качестве оптического СВЧ генератора импульсов фототока, изготовлялись на основе собственного GaAs (ρ~8×108 Ом/см, концентрация электрически активной фоновой примеси N≤1013 см-3, n0~7,2×106 см-3).Structures M 1 TD 1 PTD 2 M 2 used as an optical microwave photocurrent pulse generator were fabricated on the basis of intrinsic GaAs (ρ ~ 8 × 10 8 Ohm / cm, concentration of electrically active background impurity N≤10 13 cm -3 , n 0 ~ 7.2 × 10 6 cm -3 ).
Дрейфовая скорость электронов в неоднородном электрическом поле рассчитывалась непосредственно на основе измерения величины и распределения электрического поля в объеме диодной структуры с использованием электрооптической методики и в испытуемых структурах составляла см/с [см. Кашерининов П.Г., Кичаев А.В., Перепелицын Ю.Н., Ярошецкий И.Д. Определение распределения напряженности электрических полей в объеме полупроводниковых структур на основе электрооптических кристаллов. // Тез. докл. XII Всес. конф. по физике полупроводников. - Киев, Наукова думка, 1990, т.2, с.36-37]. После резки слитка (плоскость резки (110)) из шайб выкалывались совершенные монокристаллы GaAs, из которых впоследствии общепринятыми технологическими методами (шлифовки и химико-механической полировки) изготавливались наборы экспериментальных образцов, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов. Каждый набор образцов содержал партию монокристаллов, которые при одинаковых линейных размерах l×h имели различную толщину d (l - длина, h - высота, d - толщина). Шаг изменения l, h - 1 мм (от 10 до 1 мм), d - 500 мкм (от 2,5 мм до 0,5 мм). После обработки на поверхности двух противоположных граней l×h создавались однородные монослои наноразмерного диэлектрика толщиной d от 5 до 40 нм посредством травления образцов в смеси кислот (65% HCl+35% HNO3) в течение 35-60 секунд с последующим окислением этих граней в атмосфере сухого О2 в течение 1 часа. Затем, после окисления, посредством химического осаждения Аи на поверхности окисленных граней формировались оптически прозрачные металлические электроды толщиной 10-20 нм, на которых в одном из углов окисленной грани формировался слой In площадью S~300 мкм и толщиной 2-3 мкм, к которому припаивались Electron drift velocity in an inhomogeneous electric field calculated directly on the basis of measuring the magnitude and distribution of the electric field in the volume of the diode structure using the electro-optical technique and in the tested structures was cm / s [see Kasherininov P.G., Kichaev A.V., Perepelitsyn Yu.N., Yaroshetsky I.D. Determination of the distribution of electric field strength in the volume of semiconductor structures based on electro-optical crystals. // Abstract. doc. XII All. conf. in physics of semiconductors. - Kiev, Naukova Dumka, 1990, v.2, p. 36-37]. After cutting the ingot (cutting plane (110)), perfect GaAs single crystals were punctured from the washers, from which subsequently using generally accepted technological methods (grinding and chemical-mechanical polishing) sets of experimental samples made in the form of rectangular parallelepipeds were made. Each set of samples contained a batch of single crystals, which for the same linear dimensions l × h had different thicknesses d (l - length, h - height, d - thickness). The step of changing l, h is 1 mm (from 10 to 1 mm), d is 500 μm (from 2.5 mm to 0.5 mm). After processing on the surface of two opposite faces l × h, homogeneous monolayers of a nanoscale dielectric with a thickness d from 5 to 40 nm were created by etching the samples in an acid mixture (65% HCl + 35% HNO 3 ) for 35-60 seconds, followed by oxidation of these faces in dry O 2 atmosphere for 1 hour. Then, after oxidation, by chemical deposition of Au on the surface of the oxidized faces, optically transparent metal electrodes 10–20 nm thick were formed on which an In layer with an area of S ~ 300 μm and a thickness of 2-3 μm was formed at one of the corners of the oxidized face, to which they were soldered
проволочные металлические электроды. По завершении этих операций на каждую из граней монокристалла наносился слой Si3Н4, являющийся одновременно просветляющим и герметизирующим покрытием. Для уменьшения поверхностных токов утечки и исключения закоротки между электродами по периметру грани, содержащей просветляющее покрытие, поверх сформированных слоев наносился слой SiO2 толщиной 2 мкм и шириной 300 мкм.wire metal electrodes. Upon completion of these operations, a layer of Si 3 H 4 was applied to each of the faces of the single crystal, which is both an antireflection and a sealing coating. To reduce the surface leakage currents and eliminate short circuits between the electrodes along the perimeter of the face containing the antireflection coating, a SiO 2 layer with a thickness of 2 μm and a width of 300 μm was applied over the formed layers.
Регистрация характеристик генерируемых импульсов, а также работа диода при различных режимах проводилась на стенде, представляющем собой комплекс радиоизмерительной и оптической аппаратуры. В качестве источника оптических импульсов управляющего света прямоугольной и сложной формы и второго источника импульсов управляющего света использовались два одинаковых оптоэлектронных модуля, изготовленных автором. Конструктивно оптоэлектронный модуль представлял собой функционально законченный блок, включающий электронную схему питания полупроводникового лазера типа ЛМ3 800-1000 с длиной волны λ=0,8-0,86 мкм, оптическое излучение из которого выводилось через стандартный многомодовый световод с волоконно-оптическим разъемом. Фокусировка импульсов управляющего света, подаваемых на генерирующую структуру, производилась микролинзовой оптической системой, механически совмещаемой с оптическим разъемом. Кроме того, в состав радиоизмерительной аппаратуры входил генератор электрических сигналов сложной формы АКТАКОМ АНР-1003 и 2 генератора прямоугольных электрических импульсов Г5-56, от которых электрические импульсы необходимой частоты, длительности и формы подавались на электронные схемы питания полупроводниковых лазеров, что обеспечивало формирование управляющего оптического сигнала с требуемыми параметрами. Кроме того, формирование коротких электрических импульсов с длительностью менее 10 нc и с частотой следования до 15 ГГц также обеспечивалось электронными схемами питания полупроводникового лазера при их работе в специальном режиме.The characteristics of the generated pulses, as well as the operation of the diode under various modes, were recorded on a stand, which is a complex of radio measuring and optical equipment. Two identical optoelectronic modules manufactured by the author were used as a source of optical pulses of control light of a rectangular and complex shape and a second source of pulses of control light. Structurally, the optoelectronic module was a functionally complete unit, including an electronic power supply circuit for a semiconductor laser of the LM3 800-1000 type with a wavelength of λ = 0.8-0.86 μm, the optical radiation from which was output through a standard multimode fiber with a fiber optic connector. The pulses of control light supplied to the generating structure were focused by a microlens optical system, mechanically combined with an optical connector. In addition, the radio-measuring equipment included an AKTAKOM ANR-1003 electric signal generator of complex shape and 2 G5-56 rectangular electric pulse generators, from which electric pulses of the required frequency, duration and shape were fed to electronic power circuits of semiconductor lasers, which ensured the formation of a control optical signal with the required parameters. In addition, the formation of short electrical pulses with a duration of less than 10 ns and with a repetition rate of up to 15 GHz was also provided by electronic power circuits of a semiconductor laser during their operation in a special mode.
Регистрация характеристик генерируемых импульсов фототока проводилась при комнатной температуре (Т=20-25°С) и работе диода на резистивную нагрузку, т.е. в коаксиальную цепь, содержащую источник смещающего напряжения, последовательно с диодом включалось прецизионное сопротивление нагрузки RH=50 Ом мощностью 2 Вт, с которого снималось напряжение, пропорциональное току в цепи. Для регистрации характеристик генерируемых импульсов использовались четырехканальный осциллограф серии Tektronix (минимальная временная развертка 1 нc, чувствительность 1 мВ-The characteristics of the generated photocurrent pulses were recorded at room temperature (T = 20–25 ° C) and the diode operated at a resistive load, i.e. In a coaxial circuit containing a bias voltage source, a precision load resistance R H = 50 Ohm with a power of 2 W was connected in series with the diode, from which a voltage proportional to the current in the circuit was removed. To record the characteristics of the generated pulses, we used a four-channel oscilloscope of the Tektronix series (minimum time scan 1 ns, sensitivity 1 mV-
100 В, цифровая память в режиме регистрации одиночных импульсов) и осциллограф С8-13 с диапазоном чувствительности 10-4 В - 100 В, на вход которых коаксиальная головка с образцом могла подключаться непосредственно. В зависимости от режима работы использовались генерирующие структуры, имеющие различную толщину d и площадь освещаемой грани l×h. Исследование всех режимов генерации происходило при одной и той же полярности смещающего напряжения, т.е. при отрицательном потенциале, подаваемом на электрод грани, освещаемой импульсами управляющего света от источника управляющего света 8, и, соответственно, при подаче положительного потенциала на электрод, расположенный на противоположной грани. Передний и задний фронты генерируемых импульсов оценивались по уровню 0,9, а амплитуда сигнала - по величине напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки Rн=50 Ом и регистрируемого осциллографом.100 V, digital memory in the mode of recording single pulses) and an S8-13 oscilloscope with a sensitivity range of 10 -4 V - 100 V, to the input of which a coaxial head with a sample could be connected directly. Depending on the operating mode, generating structures having different thickness d and the area of the illuminated face l × h were used. The study of all lasing regimes occurred at the same polarity of the bias voltage, i.e. with a negative potential supplied to the electrode of the face illuminated by the pulses of the control light from the control light source 8, and, accordingly, when applying a positive potential to the electrode located on the opposite side. The leading and trailing edges of the generated pulses were estimated at a level of 0.9, and the signal amplitude — by the magnitude of the voltage taken from the load resistance R n = 50 Ohms and recorded by the oscilloscope.
Режим статического домена (см. фиг.3) был реализован в структуре с линейными размерами l×h×d=10×10×1,0 мм. При реализации режима статического домена к диодной структуре прикладывалось постоянное напряжение V0=550 В, а затем от источника управляющего света 10 на образец подавался прямоугольный импульс света 16 длительностью τимп. осв.=2 нс, P0=100 мВт с частотой следования управляющих импульсов 106 Гц. Исследования данного режима показали, что в диодной структуре при освещении генерируется одиночный статический домен с пиковой мощностью импульса Pимп.~6,48 Вт.The static domain mode (see FIG. 3) was implemented in a structure with linear dimensions l × h × d = 10 × 10 × 1.0 mm. When the static domain mode was realized, a constant voltage V 0 = 550 V was applied to the diode structure, and then a rectangular light pulse 16 of duration τ imp was applied to the sample from the control light source 10 . con. = 2 ns, P 0 = 100 mW with a repetition rate of control pulses of 10 6 Hz. Studies of this mode showed that a single static domain with a peak pulse power P imp. Is generated in the diode structure when illuminated . ~ 6.48 watts.
Режим подавления домена (см. фиг.4) был реализован в диодной структуре с линейными размерами l×h×d=5×5×0,5 мм, к которой прикладывалось постоянное напряжение V0=610 В, а затем от источника управляющего света 10 подавался прямоугольный импульс света 16 длительностью τимп. осв.=1 нc, Р0=30 мВт и прямоугольный импульс света, формируемый вторым источником управляющего света 17 имеющий ту же длительность и мощность. Время задержки между управляющими импульсами света 16 и 17, а также частота их следования (в диапазоне 100 МГц до 10 ГГц) регулировались с помощью синхронизированных между собой схем питания полупроводниковых лазеров, формирующих управляющие импульсы 16 и 17. Исследование режима подавления домена показало, что максимальная частота генерации одиночного импульса f=1,1 ГГц достигается при временном сдвиге между импульсами управляющего света 16 и 17, сравнимым с длительностью генерируемого импульса, что близко к максимальной The domain suppression mode (see Fig. 4) was implemented in a diode structure with linear dimensions l × h × d = 5 × 5 × 0.5 mm, to which a constant voltage V 0 = 610 V was applied, and then from the control light source 10, a rectangular light pulse 16 of duration τ imp. con. = 1 ns, P 0 = 30 mW and a rectangular pulse of light generated by the second control light source 17 having the same duration and power. The delay time between the control pulses of light 16 and 17, as well as their repetition rate (in the range of 100 MHz to 10 GHz) were controlled using synchronized power circuits of semiconductor lasers, forming control pulses 16 and 17. The study of the domain suppression mode showed that the maximum the frequency of generation of a single pulse f = 1.1 GHz is achieved with a temporary shift between the pulses of the control light 16 and 17, comparable with the duration of the generated pulse, which is close to the maximum
достигаемой частоте для структуры с расстоянием между контактами L1=0,5 мм. Длительности переднего и заднего фронтов импульса фототока оценивались по уровню 0,9 и при максимальной частоте генерации соответственно составили: τперед. фр. от 50 до 60 рс, τзадн. фр.~300 рс.the achieved frequency for the structure with the distance between the contacts L 1 = 0.5 mm The durations of the leading and trailing edges of the photocurrent pulse were estimated at a level of 0.9 and at the maximum generation frequency, respectively, amounted to: τ before. fr. from 50 to 60 rs, τ back fr . ~ 300 rs.
Триггерный режим генерации (см. фиг.5) был реализован на диодной структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×1,0 при напряжении смещения V0 291 В (Еп(х)~2,6 кВ/см) и освещении одиночным импульсом управляющего света 18 длительностью τимп. осв.=1,1 мкс с пороговой мощностью Р0=15 мВт. Исследования данного режима показали, что данный режим реализуется при пороговых напряжениях смещения и мощности управляющего импульса, причем генерация в данном режиме стабильна, однако частота генерации при данном режиме минимальна.The trigger generation mode (see Fig. 5) was implemented on a diode structure with linear dimensions l × h × d = 7 × 7 × 1.0 at a bias voltage of V 0 291 V (E p (x) ~ 2.6 kV / cm) and illumination with a single pulse of control light 18 of duration τ imp. con. = 1.1 μs with a threshold power of P 0 = 15 mW. Studies of this mode showed that this mode is implemented at threshold bias voltages and control pulse power, and the generation in this mode is stable, but the generation frequency in this mode is minimal.
Пролетный режим генерации (см. фиг.6) был реализован на той же диодной структуре при постоянном напряжении смещения V0=600 В и освещении импульсом управляющего света 18 постоянной мощности Р=35 мВт, длительность которого изменялась от 5 нc до 1,1 мкс (т.е. при V0»Vп(x) и Р»Р0, которые соответственно составляли: Vп(x)=291 В и Р0=15 мВт). Испытание данного режима показало, что в структуре с расстоянием между контактами L1=1 мм, частота f генерируемых импульсов близка к 108 Гц, причем период генерируемых импульсов Т постоянен и близок к времени пролета носителей.The span generation mode (see Fig. 6) was implemented on the same diode structure with a constant bias voltage V 0 = 600 V and illumination with a control light pulse of 18 constant power P = 35 mW, the duration of which varied from 5 ns to 1.1 μs (ie, at V 0 V V p (x) and P 0 P 0 , which respectively amounted to: V p (x) = 291 V and P 0 = 15 mW). Testing of this mode showed that in the structure with the distance between the contacts L 1 = 1 mm, the frequency f of the generated pulses is close to 10 8 Hz, and the period of the generated pulses T is constant and close to the time of flight of the carriers.
Режим генерации импульсов фототока сложной формы при освещении управляющими импульсами сложной формы (см. соответственно фиг.7, 8, 9, 10) был реализован на структуре с линейными размерами l×h×d=8×8×0,5 мм при постоянной величине приложенного смещения V0=Vп(x)=130 В и освещении импульсами света 19, 20, 21, 22 мощностью Р=40 мВт (Р0=20 мВт). Для этого от источника управляющего света 10 на диодную структуру последовательно подавались импульсы управляющего света различной сложной формы 19, 20, 21, 22 (см. фиг.1), имеющие близкую частоту следования и длительность. Испытание данного режима показало, что независимо от формы импульса управляющего света огибающая генерируемых импульсов взаимно однозначно повторяет форму соответствующего управляющего оптического импульса сложной формы.The mode of generating pulses of a photocurrent of complex shape when illuminated by control pulses of complex shape (see, respectively, Figs. 7, 8, 9, 10) was implemented on a structure with linear dimensions l × h × d = 8 × 8 × 0.5 mm at a constant value applied bias V 0 = V p (x) = 130 V and illumination by light pulses 19, 20, 21, 22 with a power of P = 40 mW (P 0 = 20 mW). To this end, control light pulses of various complex shapes 19, 20, 21, 22 (see FIG. 1) having a close repetition rate and duration were successively supplied from the control light source 10 to the diode structure. Testing of this mode showed that irrespective of the shape of the control light pulse, the envelope of the generated pulses is one-to-one repeats the shape of the corresponding control optical pulse of complex shape.
Многодоменный пролетный режим (см. фиг.11, 12) был реализован на структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×1,5 мм. При реализации данного режима величины The multi-domain flight mode (see Figs. 11, 12) was implemented on a structure with linear dimensions l × h × d = 7 × 7 × 1.5 mm. When implementing this mode of magnitude
порогового напряжения Vп(x), пороговой мощности Р0 и длительности прямоугольного импульса управляющего света 18 подбирались экспериментально и в испытуемой диодной структуре соответственно составили: Vп(x)=590 В, Р0=27 мВт при длительности управляющего оптического импульса τимп. осв.~8,5 мкс. Испытание данного режима генерации показало, что при пороговых значениях напряжения смещения и мощности управляющего импульса в диодной структуре реализуется однодоменный режим генерации. Двухдоменный режим генерации, при котором происходит одновременная генерация двух импульсов фототока, имеющих различную амплитуду и период колебаний, при максимальном времени сдвига между генерируемыми импульсами, сравнимым с периодом их генерации, реализуется посредством увеличения напряжения смещения V0 до величины 1,5 Vп(x) и мощности импульса Р управляющего света 18 до величины Р≥2Р0. После возникновения двухдоменной генерации увеличение напряжения смещения в диапазоне от 1,65 до 1,8 Vп(x) либо мощности импульса управляющего света Р в диапазоне от 2,4 до 2,6 Р0 приводит к сокращению времени сдвига между генерирующими импульсами и к возникновению биений (см. фиг.11). Дальнейшее изменение величины прикладываемого смещения V0 до величины 2,5 Vп(x) и/или мощности импульса управляющего света 18 до величины от 3 до 4 Р0. приводит к возникновению устойчивой трех- или четырехчастотной генерации импульсов фототока (см. фиг.12).the threshold voltage V p (x), the threshold power P 0 and the duration of the rectangular pulse of control light 18 were selected experimentally and in the diode structure under test, respectively, were: V p (x) = 590 V, P 0 = 27 mW with the duration of the control optical pulse τ imp . con. ~ 8.5 μs. Testing this generation mode showed that, at threshold bias voltage and control pulse power, a single-domain generation mode is implemented in the diode structure. The two-domain generation mode, in which two photocurrent pulses are generated simultaneously, having different amplitudes and periods of oscillation, at a maximum shift time between the generated pulses, comparable with the period of their generation, is realized by increasing the bias voltage V 0 to a value of 1.5 V p (x ) and the pulse power P of the control light 18 to a value of P≥2P 0 . After the occurrence of two-domain generation, an increase in the bias voltage in the range from 1.65 to 1.8 V p (x) or in the power of the control light pulse P in the range from 2.4 to 2.6 P 0 leads to a reduction in the shift time between the generating pulses and the occurrence of beats (see Fig.11). A further change in the magnitude of the applied bias V 0 to a value of 2.5 V p (x) and / or the pulse power of the control light 18 to a value from 3 to 4 P 0 . leads to the emergence of a stable three- or four-frequency generation of photocurrent pulses (see Fig. 12).
Режим перестройки частоты генерируемых колебаний (см. фиг.13) был реализован в диодной структуре с линейными размерами l×h×d=6×6×2,5 мм. При испытании данного режима величина порогового напряжения Vп(x) и пороговая мощность Р0 управляющего света 18, при которых происходит генерация одиночного домена, подбиралась экспериментально. Для испытуемой структуры при длительности импульса управляющего света 20 мкс и частоте импульсного освещения F=103 Гц величины порогового напряжения и мощности импульса управляющего света 18 составили: Vп(x)=545 В, Р0=6,5 мВт. Все характеристики фототокового сигнала, регистрируемого при пороговых значениях величин Р0 и Vп(x), принимались за начало отсчета как при исследовании зависимости частоты генерируемых колебаний от напряжения смещения, так и при исследовании зависимости частоты генерируемых колебаний от мощности управляющего импульса.The frequency tuning mode of the generated oscillations (see Fig. 13) was implemented in a diode structure with linear dimensions l × h × d = 6 × 6 × 2.5 mm. When testing this mode, the value of the threshold voltage V p (x) and the threshold power P 0 of the control light 18, at which a single domain is generated, was selected experimentally. For the test structure with a control pulse duration of 20 μs and a pulse illumination frequency of F = 10 3 Hz, the threshold voltage and pulse power of control light 18 were: V p (x) = 545 V, P 0 = 6.5 mW. All characteristics of the photocurrent signal recorded at threshold values of P 0 and V p (x) were taken as the reference point both when studying the dependence of the frequency of the generated oscillations on the bias voltage, and when studying the dependence of the frequency of the generated oscillations on the power of the control pulse.
После этого при постоянных пороговой мощности Р0 и длительности импульса управляющего света 18 величина прикладываемого напряжения последовательно увеличивалась пошагово, причем величина изменения напряжения V0 на каждом шаге определялась After that, at constant threshold power P 0 and pulse duration of the control light 18, the magnitude of the applied voltage sequentially increased stepwise, and the magnitude of the voltage change V 0 at each step was determined
по изменению частоты (периода) генерируемых колебаний на октаву (изменение частоты на одну октаву соответствует ее изменению в 2 раза). Конечная величина V0 определялось по напряжению срыва генерации Vc, достигнув которого напряжение смещения также пошагово уменьшалось до его порогового значения Vп(x). При этом для каждого значения напряжения, при котором происходило изменение частоты генерации на октаву, измерялись все характеристики регистрируемого фототокового сигнала, по которым впоследствии рассчитывалась величина ОДП и, соответственно, зависимость частоты генерируемых колебаний от напряжения смещения. На фиг.13 (I) представлен в двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики испытуемой диодной структуры, содержащей участок А-Б, на котором показано изменение частоты генерируемых колебаний при освещении импульсом света прямоугольной формы 18 постоянной мощности и изменении величины смещающего напряжения V0 от Vп(x) до Vc. Каждое значение величины ОДП на участке А-Б зафиксировано при изменении частоты генерирующих колебаний на одну октаву при изменении величины прикладываемого напряжения V0 в диапазоне от 545 В до 1500 В, при освещении диодной структуры импульсом света длительностью 20 мкс, имеющего мощность Р0≈6,5 мВт. Испытание показало, что для данной структуры напряжение срыва составило Vc≥1500 В, а изменение напряжения смещения от 545 В до 1500 В и обратно обеспечило линейное и обратимое изменение ОДП и частоты генерируемых колебаний в диапазоне 11 октав.by a change in the frequency (period) of the generated oscillations per octave (a change in frequency by one octave corresponds to its change by 2 times). The final value of V 0 was determined by the generation stall voltage V c , reaching which the bias voltage also decreased stepwise to its threshold value V p (x). In this case, for each voltage value at which the lasing frequency changed by an octave, all the characteristics of the recorded photocurrent signal were measured, which subsequently calculated the magnitude of the NDC and, accordingly, the dependence of the frequency of the generated oscillations on the bias voltage. On Fig (I) is presented in a double logarithmic scale a graph of the average time-time current-voltage characteristics of the diode structure under test, containing section AB, which shows the change in the frequency of the generated oscillations when a rectangular light 18 of constant power illuminates with a pulse and the bias voltage V 0 from V p (x) to V c . Each value of the magnitude of the NDC in the plot AB is fixed when the frequency of the generating oscillations is changed by one octave when the value of the applied voltage V 0 changes in the range from 545 V to 1500 V, when the diode structure is illuminated by a 20 μs light pulse with a power of P 0 ≈6 5 mW. The test showed that for this structure, the stall voltage was V c ≥1500 V, and a change in the bias voltage from 545 V to 1500 V and vice versa provided a linear and reversible change in the NDC and the frequency of the generated oscillations in the range of 11 octaves.
Испытание зависимости частоты генерируемых колебаний от мощности импульса управляющего света 18 происходило аналогично. Т.е. при постоянной величине V0=Vп,(x) мощность управляющего оптического сигнала пошагово увеличивалась от ее порогового значения Р0 до мощности, при которой происходил срыв генерации Рс. После этого мощность управляющего импульса пошагово уменьшалась до ее порогового значения. При этом, как и в случае с изменением величины прикладываемого напряжения, величина пошагового изменения мощности управляющего оптического импульса 18 определялась по изменению частоты генерируемых импульсов на октаву. При этом для каждого значения мощности оптического импульса, обеспечивающего увеличение или уменьшение частоты генерируемых колебаний на октаву, измерялись все характеристики регистрируемого фототокового сигнала, по которым впоследствии также рассчитывалась величина ОДП и, соответственно, зависимость частоты генерируемых колебаний от мощности управляющего оптического сигнала. На фиг.13 (II) представлен в Testing the dependence of the frequency of the generated oscillations on the pulse power of the control light 18 was carried out similarly. Those. at a constant value of V 0 = V p , (x) the power of the control optical signal increased step by step from its threshold value P 0 to the power at which the generation of P s failed. After that, the power of the control pulse decreased stepwise to its threshold value. Moreover, as in the case of a change in the magnitude of the applied voltage, the magnitude of a step-wise change in the power of the control optical pulse 18 was determined by changing the frequency of the generated pulses per octave. In this case, for each value of the power of the optical pulse, which provides an increase or decrease in the frequency of the generated oscillations per octave, all the characteristics of the recorded photocurrent signal were measured, which subsequently also calculated the magnitude of the NDC and, accordingly, the dependence of the frequency of the generated oscillations on the power of the control optical signal. On Fig (II) is presented in
двойном логарифмическом масштабе график средней по времени вольт-амперной характеристики той же диодной структуры, содержащей участок А-В, на котором приведено изменение частоты генерируемых колебаний при фиксированной величине V0=Vп,(x) и изменении мощности управляющего оптического сигнала 18 от ее порогового значения Р0 до мощности, при которой происходил срыв генерации Рc. Каждое значение величины ОДП на участке А-В зафиксировано при изменении частоты генерирующих колебаний на одну октаву при фиксированной величине V0=Vп,(x) и изменении мощности управляющего оптического импульса Р в диапазоне от 6,5 мВт до 42 мВт. Испытание данного режима показало, что для данной диодной структуры изменение мощности Р управляющего оптического импульса 18 в диапазоне от 6,5 мВт до 42 мВт обеспечило линейное и обратимое изменение ОДП и частоты генерируемых колебаний в диапазоне 13 октав.double logarithmic scale graph of the average time-time current-voltage characteristics of the same diode structure containing the AB section, which shows the change in the frequency of the generated oscillations at a fixed value of V 0 = V p , (x) and the change in the power of the control optical signal 18 from its threshold value of P 0 to the power at which there was a breakdown of the generation of P c . Each value of the magnitude of the NDC in the plot AB is fixed when the frequency of the generating oscillations is changed by one octave at a fixed value of V 0 = V p , (x) and the power of the control optical pulse P changes in the range from 6.5 mW to 42 mW. Testing of this mode showed that for a given diode structure, a change in the power P of the control optical pulse 18 in the range from 6.5 mW to 42 mW provided a linear and reversible change in the NDC and the frequency of the generated oscillations in the range of 13 octaves.
Аналогично было проведено испытание зависимости ОДП и частоты генерируемых колебаний при совместно изменяющихся величинах напряжения смещения и мощности импульса управляющего света 15. В этом случае срыв генерации возникал при напряжении смещения Vc=890 В и мощности импульса управляющего света Рс=19 мВт. Испытания данного режима показали, что совместное линейное изменение величины приложенного напряжения и мощности импульса управляющего света от их пороговых значений до значений, при которых происходит срыв генерации, также приводит к линейному и обратимому изменению величины ОДП и частоты (периода) генерируемых колебаний в диапазоне 11 октав.Similarly, we tested the dependence of the NDC and the frequency of the generated oscillations with jointly changing values of the bias voltage and the pulse power of the control light 15. In this case, the generation failure occurred when the bias voltage V c = 890 V and the pulse power of the control light R c = 19 mW. Tests of this mode showed that a joint linear change in the magnitude of the applied voltage and pulse power of the control light from their threshold values to the values at which the generation fails, also leads to a linear and reversible change in the magnitude of the NDC and the frequency (period) of the generated oscillations in the range of 11 octaves .
Управление величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации) было реализовано на структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×2,5 мм.The control of the threshold generation voltage (threshold generation field) was implemented on a structure with linear dimensions l × h × d = 7 × 7 × 2.5 mm.
При проведении испытаний величина порогового напряжения, мощность и длительность прямоугольного импульса управляющего света 18, при которых происходит генерация одиночного импульса, выбирались экспериментально (при испытании диодной структуры эти величины составляли: Vп(x)=75 В, P01=41 мВт, τимп. осв.~22 мкс). Испытания данного режима генерации показало, что пошаговое увеличение порогового напряжения генерации (шаг 75 В) приводит к генерации одиночного домена при меньшей мощности управляющего оптического импульса (шаг уменьшения мощности Р - 5,5 мВт). В испытуемом образце генерация одиночного домена при максимальной величине порогового напряжения генерации и, соответственно, минимальной мощности управляющего импульса Р составили Vп(x)=550 В, Р02=8 мВт, т.е. между величиной During the tests, the threshold voltage value, power and duration of a rectangular pulse of control light 18, at which a single pulse is generated, were chosen experimentally (when testing the diode structure, these values were: V p (x) = 75 V, P 01 = 41 mW, τ imp. ill. ~ 22 μs). Tests of this generation mode showed that a stepwise increase in the threshold generation voltage (step 75 V) leads to the generation of a single domain at a lower power of the control optical pulse (the step of decreasing the power P is 5.5 mW). In the test sample, generation of a single domain with a maximum threshold voltage of generation and, accordingly, a minimum power of the control pulse P amounted to V p (x) = 550 V, P 02 = 8 mW, i.e. between the value
порогового напряжения генерации и мощностью управляющего оптического импульса реализуется обратно пропорциональная зависимость.the threshold generation voltage and the power of the control optical pulse, an inversely proportional dependence is realized.
Апериодический режим генерации (см. фиг.14) был реализован на той же диодной структуре, т.е. структуре с линейными размерами l×h×d=7×7×2,5 мм. При проведении испытаний величина порогового напряжения, мощность и длительность прямоугольного импульса управляющего света 18, при которых происходила генерация одиночного импульса, были те же, т.е. Vп(x)=75 В, Р0=41 мВт, τимп. осв.~22 мкс. После этого при фиксированной величине Vп(x) и τимп. осв управляющего оптического сигнала 18 проводилось линейное увеличение его мощности, что приводило к последовательному увеличению числа генерируемых импульсов на импульсе фототока. При этом амплитуда и период колебания каждого последующего импульса последовательно увеличивалось до тех пор, пока в результате роста мощности импульса управляющего света в испытуемой диодной структуре не происходил срыв генерации, при возникновении которого мощность импульса уменьшалась до своего порогового значения.The aperiodic generation mode (see Fig. 14) was implemented on the same diode structure, i.e. a structure with linear dimensions l × h × d = 7 × 7 × 2.5 mm. During the tests, the value of the threshold voltage, power, and duration of the rectangular pulse of the control light 18 at which a single pulse was generated were the same, i.e. V p (x) = 75 V, P 0 = 41 mW, τ imp. con. ~ 22 μs. After that, at a fixed value of V p (x) and τ imp. The control optical signal 18 was linearly amplified, which led to a sequential increase in the number of generated pulses per photocurrent pulse. In this case, the amplitude and period of oscillation of each subsequent pulse sequentially increased until, as a result of the increase in the power of the control light pulse, the generation of the test diode structure did not stall, upon occurrence of which the pulse power decreased to its threshold value.
Испытание данного режима показало, что в диодной структуре при минимальной постоянной величине порогового напряжения смещения Vп(x)=75 В изменение мощности Р управляющего импульса в диапазоне от 41 мВт до 71 мВт приводит к апериодическому режиму генерации, при котором период генерируемых колебаний Т линейно уменьшается (увеличивается), а число генерируемых колебаний ограничивается мощностью срыва генерации Рс. Кроме того, при данном режиме генерации была достигнута максимальная мощность генерируемого сигнала, пиковая электрическая мощность которого составила Римп.≈27,4 Вт.Testing of this mode showed that in a diode structure with a minimum constant value of the threshold bias voltage V p (x) = 75 V, a change in the power P of the control pulse in the range from 41 mW to 71 mW leads to an aperiodic generation mode in which the period of generated oscillations T is linear decreases (increases), and the number of generated oscillations is limited by the output stall power P s . In addition, in this generation mode, the maximum power of the generated signal was achieved, the peak electric power of which was P imp. ≈27.4 watts
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая полезная модель впервые обеспечивает СВЧ генерацию импульсов фототока только за счет воздействующего освещения. Кроме того, заявляемое устройство позволяет оптически и электрически управлять параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации, повысить частоту генерируемых колебаний по сравнению с прототипом на пять порядков, а также обеспечить СВЧ генерацию импульсов фототока при освещении импульсами света сложной формы, и при этом оптическая генерация импульсов происходит при работе устройства при комнатных температурах. Это стало возможным благодаря тому, что созданы условия, при которых только за счет воздействующего освещения в оптическом генераторе происходит образование изменяемой по величине отрицательной дифференциальной проводимости и формирование объемной фототоковой доменной Thus, in comparison with the prototype of the claimed utility model for the first time provides microwave generation of photocurrent pulses only due to the impact of lighting. In addition, the inventive device allows you to optically and electrically control the parameters of the generated oscillations at various generation modes, increase the frequency of the generated oscillations by five orders of magnitude in comparison with the prototype, and also provide microwave generation of photocurrent pulses when illuminated by complex light pulses, and optical pulses are generated occurs when the device is operating at room temperature. This became possible due to the fact that conditions were created under which only due to the influence of illumination in the optical generator the formation of negative differential conductivity of variable magnitude and the formation of a volume photocurrent domain
неустойчивости дрейфового вида, а также формирование освещением неоднородного профиля распределения электрического поля, которое сохраняется неоднородным в ν-области структуры вне домена, при возникновении домена и его переносе через структуру.instabilities of the drift type, as well as the formation by illumination of a nonuniform profile of the distribution of the electric field, which remains inhomogeneous in the ν region of the structure outside the domain, when a domain arises and is transferred through the structure.
Следует отметить, что аналогичная по конструкции диодная структура может быть изготовлена на основе других высокоомных полупроводников, например CdZnTe, CdTe, InP и др. Основанием для такого утверждения является общность их электрофизических свойств, в частности, монокристаллы таких полупроводников имеют сходную зонную структуру. Кроме того, монокристаллы таких полупроводников могут быть выращены высокоомными, содержащими минимальную концентрацию электрически активной примеси, что позволяет обеспечить в них максимально большое соотношение σф/σт,, необходимое для образование объемной фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида.It should be noted that a similar diode structure can be made on the basis of other high-resistance semiconductors, for example, CdZnTe, CdTe, InP, etc. The basis for this statement is the generality of their electrophysical properties, in particular, single crystals of such semiconductors have a similar band structure. In addition, single crystals of such semiconductors can be grown in high resistance, containing a minimum concentration of electrically active impurities, which allows them to provide the maximum ratio σ f / σ t necessary for the formation of volumetric photocurrent domain instability of a drift type.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009106481/22U RU83142U1 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009106481/22U RU83142U1 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU83142U1 true RU83142U1 (en) | 2009-05-20 |
Family
ID=41022180
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009106481/22U RU83142U1 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU83142U1 (en) |
-
2009
- 2009-02-26 RU RU2009106481/22U patent/RU83142U1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Benicewicz et al. | Scaling of terahertz radiation from large-aperture biased photoconductors | |
US4103312A (en) | Semiconductor memory devices | |
Kadow et al. | Self-assembled ErAs islands in GaAs for optical-heterodyne THz generation | |
Frankel et al. | High-voltage picosecond photoconductor switch based on low-temperature-grown GaAs | |
JP2588493B2 (en) | Apparatus having optical / electronic device | |
Ripper et al. | Internal Q switching in GaAs junction lasers | |
Wang et al. | Vertical SiC photoconductive switch with axial optical internal reflection trap | |
Moore | Acoustoelectric current saturation in CdS as a fluctuation process | |
RU83142U1 (en) | OPTICAL MICROWAVE PULSE GENERATOR | |
Connelly et al. | Study of recombination mechanisms limiting the performance of Sb-based III-V type II superlattices for infrared detectors | |
RU2390073C1 (en) | Optical microwave pulse generator | |
Suproniuk et al. | Semi-insulating GaP as a material for manufacturing photoconductive semiconductor switches | |
RU2324961C1 (en) | Optical modulator of complex wave signals | |
Böer | The importance of gold‐electrode‐adjacent stationary high‐field Böer domains for the photoconductivity of CdS | |
Nordin et al. | Temporal response of dilute nitride multi-quantum-well vertical cavity enhanced photodetector | |
Kulewsky et al. | 9B2-The nature of the laser transition in CdS crystal at 90° K with two-photon excitation | |
Kallmann et al. | Photovoltaic effects in CdS crystals | |
Asmontas et al. | Photoelectrical properties of nonuniform semiconductor under infrared laser radiation | |
Liu et al. | Steady-state photovoltaic effect in asymmetrical graded superlattices | |
Seiler et al. | Absorption processes near the bandgap of InSb: Laser-induced hot electron and photoconductivity studies | |
Chowdhury | Investigating possibility of lock-on in a photo-conductive semiconductor switch (PCSS) for high power applications | |
Loepfe et al. | 2 ps InGaAs photoconductors and their speed‐of‐response evaluation by optical pulse mixing at inherent nonlinearities | |
Yurchenko et al. | Microwave whispering-gallery-mode photoconductivity measurement of recombination lifetime in silicon | |
Vaucher et al. | Generation of tunable picosecond pulses from a bulk GaAs laser | |
Ing et al. | A high gain silicon photodetector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MG11 | Anticipatory lapse of a utility model patent in case of granting an identical utility model |
Ref document number: 2009106480 Country of ref document: RU Effective date: 20100520 |