Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред, страница 20

В частности, например, быларазработанадвухволноваяИК-радиометрическая установка, позволяющая измерятьраспределение температуры в тонкой (~100мкм) поверхностной пленке океана, в которойпроисходят процессы теплообмена между океаном–накопителем солнечной энергии, иатмосферой, что позволило существенно продвинуться в понимании процессов формированияклимата на планете [25]. В силу объективных причин автор не может представить все этиразработки в настоящем докладе, однако, необходимая информация содержится в цитируемойлитературе.IV. Кросс-модуляционные эффекты на неравновесных носителях заряда вполупроводникахприлазернойдиагностикеиуправленииСВЧ-излучением[16,18,24,47,50,52,56,57,77].Проведенный нами комплекс теоретических и экспериментальных исследований,устанавливающих количественную меру влияния изменений удельной проводимости71полупроводников на формирование в них интерференционной картины, как уже отмечалосьвыше, может быть использованокак для контроля состояния и параметров самихполупроводниковых материалов, так и для контроля и управления параметрамираспространяющихся и интеферирующих в них электромагнитных волн.

Особый интереспредставляют кросс-модуляционные процессы, при которых слабое воздействие одного изволновых излучений вызывает существенное изменение другого, что может быть обусловленокак свойствами интерференционной картины, так и физическими процессами, протекающимив полупроводниках.1. Лазерная диагностика мощных СВЧ-излучений на неравновесных носителях заряда вполупроводниках.Блок-схема экспериментальной установки для изучения явления кросс-модуляции вполупроводниках представлена на рис.28.Рис.28Источником СВЧ-мощности (1) являлся генератор дифракционного излучения 8-ммдиапазона СВЧ ГДИ-8, оптического - гелий-неоновый лазер (6) ЛГ-126 с длиной волныизлучения 1,15 мкм.

Образец располагался в СВЧ-рупоре (3), а с противоположной стороныоблучался лазерным излучением, причем, имелась возможность сканирования лазерным лучемпо поверхности полупроводникового образца. Падающий и отраженный лучирегистрировались фотоприемниками (10,5) и измерительной аппаратурой, включающей в себявольтметры В7-27 (7,8) и осциллограф С1-83 (9). Схема регистрации СВЧ-излучения состоялаиз детектора (13), осциллографа С1-83 (11), преобразователя частоты Ч5-13 (12), частотомераЧ3-34А (14). Падающая и отраженная СВЧ-мощности измерялись при помощи измерителеймощности М3-53 (18) и двух направленных ответвителей с величиной затухания 30дб винтервале частот 34-36 ГГц.

Питание источника СВЧ-мощности осуществлялось блокаминакального (16) и анодного (15) напряжений, а модуляция лазерного излучения с частотой от 1до 2 кГц – модулятором (4); вакуум в ГДИ-8 контролировался вакууметром ВИТ-2 (17).Максимальная выходная мощность СВЧ-генератора достигала величины 25Вт, а оптического– 7,5 мВт. В качестве исследуемого полупроводникового материала был выбран чистый Si.Целью исследования ставилось определение характера и степени взаимного влиянияоптического и СВЧ воздействий при оптимальном включении полупроводникового образца вдвухволновую схему.Теоретический и экспериментальный анализ зависимости коэффициента поглощенияоптического излучения вблизи края собственного поглощения показал, что в рассматриваемом31122 3 , где Nслучае он может быть описан соотношением:7α = 3⋅10 Ng exp −3⋅10 λ e0 / (4µn π ε 0 me c )()концентрация электронов в зоне проводимости, g=32/9 π , λ - длина волны оптическогоизлучения, e0-заряд электрона, µ - подвижность электронов, n-показатель преломления,72ε0-абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, me - дрейфовая эффективная массаэлетрона, с - скорость света.

Причем оно справедливо с ошибкой не превышающей ~10% дляинтервала длин волн от 1 до 1,2 мкм (край собственного поглощения для исследуемого образцасоответствовал λ =1,07мкм).С другой стороны, воздействие мощного СВЧ-излучения определяется, как показалиэкспериментальные исследования, в основном двумя механизмами - тепловым, в результатекоторого происходит повышение температуры образца и, как следствие, рост его удельнойпроводимости и изменением подвижности свободных носителей заряда, которая уменьшаетсяпри увеличении СВЧ-мощности, что, в свою очередь, приводит к уменьшению удельнойпроводимости полупроводника. Таким образом, при воздействии мощного СВЧ-излучения наполупроводник в нем конкурируют два взаимокомпенсирующие друг друга процесса, которыеи определяют в конечном счете характер результирующей зависимости параметровполупроводника от уровня СВЧ-мощности.

В результате проведенного теоретического анализаобоих механизмов, при воздействии мощного СВЧ-излучения на полупроводник, былиполучены соотношения, учитывающие влияние обоих механизмов на электрофизическиепараметры полупроводника:ε//= 4(σ0/ ωε 0 )(2 + ((8 + 3π ( µ 0 E / U ) 2 ) 2 / 2)1 / 2 ) −1 ,µ = µ 0 (1 / 2 + (1+ (1+ (3π / 8)( µ 0 E / U ) 2 )1 / 2 )) −1 / 2 ,где ε // - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости полупроводника; σ 0 - егоудельная проводимость; ω - частота СВЧ-излучения; E - напряженность СВЧ-поля; U скорость звука в полупроводнике; µ 0 - невозмущенное значение подвижности электронов.На рис.29a приведена экспериментальная зависимость отраженной СВЧ-мощности Pref отвеличины падающей PRF при различных мощностях оптической накачки лазера Р, а на рис.29б-зависимости изменения напряжения на фотоприемнике ∆ Uref , величина которогопропорциональна изменению коэффициента отражения лазерного луча от полупроводниковойпластины, от мощности СВЧ-излучения.∆Uref, мкВ0,6Pref, ВтP=7.5 мВтP=7.5 мВт106 мВт0,46 мВт4.5 мВт4.5 мВт0,253 мВт3 мВт0 мВтa0,00510PRF, Вт15б200025510PRF, Вт152025Рис.29Особенно характерной является экспериментальная кривая при мощности лазернойнакачки Р=4,5 мВт, которая хорошо иллюстрирует наличие двух механизмов измененияпроводимости: 1) в диапазоне мощностей СВЧ-излучения от 0 до 18 Вт при увеличениипоглощения полупроводником СВЧ-энергии происходит повышение температуры образца, чтоприводит к увеличению его проводимости и, как следствие, увеличению коэффициентовотражения от него оптического и СВЧ излучений.

В этом диапазоне мощностей СВЧ-излученияотражательная способность полупроводника в основном определяется тепловым механизмом;2)при мощности СВЧ-излучения более 18 Вт величина напряженности СВЧ-поля становится73достаточной, чтобы ее влияние на подвижность носителей заряда (уменьшение подвижности сростом СВЧ-мощности) стало существенным.

Как видно из приведенных выше зависимостей,изменение мощности лазерного излучения позволяет варьировать величину фотопроводимостиобразца, что важно для выбора рабочей точки, значение которой определяют такие параметры,как величина падающего СВЧ-излучения, размеры и конфигурация волновода, темноваяпроводимость полупроводника.Проведенные экспериментальные исследования и сопоставление их результатов сполученными теоретически соотношениями, показали, что “полевой” механизм зависимостикоэффициента отражения оптического излучения от полупроводниковой пластины от СВЧмощности для волновода сечением 7,2X3,4 мм2 на частоте 35ГГц начинает работать, например,для чистого кристаллического Si при СВЧ-мощности начиная с 20 Вт, или Е ≥ 450 B/см.Основной прикладной интерес представляет именно “полевой” механизм, поскольку онобладает довольно высоким быстродействием.

Так, из приведенных выше соотношений приE 〉〉 µ 0 /U , легко получить выражение для оценки времени релаксации неравновесныхносителей заряда по энергии τ , которое и определяет инерционность данного механизма:τ = m(32 / 2π )1 / 4 ( µ 0U )1 / 2 E −1 / 2 / e0 , где m-эффективная масса электрона. Оценка длярассмотренного здесь случая, при Е=104 В/см, дает τ ≈ 10-14 с. Причем, проведенный на основеэкспериментальных исследований и решения уравнения диффузии для распределениянеравновесных носителей заряда в полупроводниках в стационарном и динамическомрежимах, показали, что диффузионное “расплывание” неравновесных носителей заряда отобласти оптической накачки в рассматриваемом случае не превышает величины ~5-10 мкм,что наряду с высоким временным, обеспечивает достаточно высокое пространственноеразрешение.

Таким образом, проведенные исследования дают все основания для рекомендациирассмотренной схемы кросс-модуляции в качестве, например, метода диагностики мощныхСВЧ-излучений, как непрерывного, так и импульсного характера, причем, при диагностикеуровней СВЧ-мощности существенно превышающих использованные нами в экспериментах,необходимо переходить на полупроводниковые пленки, оптимизацию геометрических иэлектрофизических параметров которых легко провести на основе результатов, изложенных вЧ I настоящего доклада.2.

Явление лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии вполупроводниках.При проведении более детального исследования явления кросс-модуляции по методикеописанной выше, на полупроводниковой пластине чистого Si полуволновой толщины d0=1,35мм на частоте 34,86 ГГц (как было показано в Ч I настоящего доклада в этом случаеобеспечивается максимальный коэффициент поглощения СВЧ-энергии в слое), был обнаруженне наблюдавшийся ранее эффект лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧэнергии в полупроводнике.

Экспериментально было обнаружено, что изменение концентрациисвободных носителей заряда в полупроводнике вследствие лазерной накачки Р 〉 4,3 мВт привеличине СВЧ-мощности PRF 〉 15 Вт вызывало резкое возрастание коэффициента отражения RСВЧ-волны от полупроводникового образца рис.30a (на рис.30b аналогичная зависимость начастоте 36,02 ГГц). Причем, как показали экспериментальные измерения, коэффициентпрохождения СВЧ-волны через образец74bа0,30R0,020P=4.3 мВтP=5.0 мВтP=4.8 мВтP=3.7 мВтP=0 мВт0,250,20RP=7.5 мВтP=6.0 мВтP=4.5 мВтP=3.0 мВтP=0 мВт0,0150,150,0100,100,0050,050,0000,000510PRF, Вт1502051015PRF, Вт2025Рис.30при этом практически был равен нулю, т.е. происходило резкое увеличение поглощения СВЧэнергии в полупроводниковой пластине. Кроме того, нестационарное поглощение в образцекремния не прекращалось и после снятия лазерной накачки.

Время установлениямаксимальной величины коэффициента отражения после начала нестационарного процессапоглощения изменялось в пределах от 10 до 25 с в зависимости от величины лазерной накачки.Наблюдаемое явление может быть объяснено физикой процессов формированиянеравномерного диффузионного распределения неравновесных носителей в полупроводнике.