Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 15
Текст из файла (страница 15)
С другой стороны, сточки зрения рекурентных соотношений метода импедансных характеристик, мы имеемсколь угодно большое (необходимое) множество независимых уравнений, в которых волновойимпеданс, подключаемой к образцу нагрузки (отражатель на расстоянии dкз), можетизменяться от − ∞ до + ∞ . Таким образом, имея множество значений экспериментальноизмеренных значений модуля и фазы коэффициента отражения СВЧ-волны отполупроводникового (диэлектрического) слоя при различных расстояниях до отражателя исоответствующее множество аналогичных параметров, рассчитанных численно на основанииметода импедансных характеристик, при заданном начальном приближении распределенииn(z) и σ (z), используя при этом стандартный метод минимизации функционала невязки F(аналогично описанному выше), можно получить с наперед заданной точностью образфункции распределения электрофизических параметров исследуемого материала на СВЧ.
Впоследствии, в частности в работах аспирантов и сотрудников нашей лаборатории, этот методполучил свое развитие не только для восстановленияпрофиля пространственнойнеоднородности сплошных сред,но и слоисто-неоднородных сред, т.е. структур, состоящих изкомпозиции различных материалов.II. ПРИЕМ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ КРОСС-МОДУЛЯЦИИ.1.Прием инфракрасных излучений [1,4-6,16,18,24,28,33,38,40-42,57,58,63].С появлением мощных генераторов когерентного оптического излучения – лазеров –обнаружились широчайшие возможности для их применения в системах связи, локации,диагностики, управления физическими свойствами вещества и т.п.
Для полной реализацииэтих возможностей необходимо было располагать приемниками оптических излученийсоответствующего диапазона, требуемой полосы пропускания и высокой чувствительности.Существующие в то время чувствительные и широкополосные приемники оптическогодиапазона (ФЭУ) существенно ухудшали свои характеристики, или переставали работатьвовсе, при переходе к инфракрасному диапазону длин волн в виду наличия физическогоограничения – длинноволновой границы внешнего фотоэффекта.
В связи с этим в конце 60-хгодов появился целый ряд публикаций, в которых для решения приема оптическихизлучений в ближнем и среднем ИК-диапазонах предлагалось использовать явлениевнутреннего фотоэффекта в полупроводниках (с собственной или примеснойфотопроводимостью, в зависимости от длины волны принимаемого ИК-излучения) в, такназываемых, схемах с СВЧ-смещением. В основе этого метода решения проблемычувствительного приема ИК-излучений лежало использование эффекта кросс-модуляции,известного еще со времен открытия Люксембург-Горьковского эффекта в 1933г. изаключающегося в появлении взаимной модуляции двух или большего числа колебаний за53счет их взаимодействия в нелинейных устройствах или при их распространении впространстве с нелинейными свойствами.
Это явление может иметь место присоответствующем выборе рабочего тела для любых видов излучений от ионизирующих дорадиоволн.Традиционным для того времени включением фоторезисторного чувствительногоэлемента в цепь СВЧ-смещения было резонаторное, при котором фотодиод, фоторезисторныймонокристалл или полупроводниковая пленка помещались в СВЧ-резонатор и по изменениюего добротности или изменению резонансной частоты производилось детектированиепринимаемого оптического излучения. Самым серьезным недостатком такого решения былосущественное обужение полосы пропускания приемника за счет относительно высокойдобротности СВЧ-резонатора.
Естественным решением возникшей проблемы расширенияполосы пропускания такого кросс-модуляционного приемника с СВЧ-смещением былоразмещение фоторезисторного чувствительного элемента непосредственно в СВЧволноводной линии, обладающей полосой пропускания практически на уровне несущей СВЧчастоты. Наиболее подходящим схемным решением было использование такого известногоСВЧ-устройства, как двойной волноводный Т-мост, сочетающего в себе с одной стороныочень высокую потенциальную чувствительность (уровень реального баланса мог составлятьболее 130 децибелл относительно падающей СВЧ-мощности) и требуемую широкополосность,поскольку это СВЧ-устройство при балансе производит перераспределение СВЧ-энергиимежду его плечами, а не резонансное ее накопление.Однако анализа и оптимизации такого решения с учетом физических процессоввзаимодействия оптического излучения с фоторезистором,формирования в нем фотооткликав зависимости от его элетрофизических параметров и размеров с одной стороны, иоптимизации взаимодействия фоторезисторного элемента с СВЧ-излучением, сдругой,проведено не было.
По своей физической постановке такой комплекс задач былвесьма интересен и перспективен, поскольку сочетал в себе с одной стороны методы испецифику оптических исследований, а с другой, радиофизические подходы и решения, чтомогло способствовать их взаимному развитию.Схема, которая была взята нами за основу при изучении возможности созданиячувствительного и широкополосного приемника ИК-излучений с СВЧ-смещением приведенана рис.18.Рис.18Если отраженная в I плече от полупроводниковой пластины СВЧ-волна скомпенсированас помощью переменной нагрузки (короткозамыкающий СВЧ-поршень и переменный СВЧаттенюатор) во II плече, то в индикаторное плечо IV СВЧ-мощность опорного генератора изплеча III не поступает.
При облучении полупроводниковой пластины оптическим излучением54происходит изменение ее проводимости и, как следствие, изменение коэффициента отраженияот нее СВЧ-волны, что приводит к разбалансу моста и появлению в плече IV СВЧ-синала.Анализ физических процессов, обуславливающих работу рассматриваемой схемы ИКприемника, можно разбить на следующие основные составляющие: взаимодействие ИКизлучения с полупроводниковой пластиной – обеспечение условий для полного поглощенияпринимаемого оптического сигнала; исследование и учет пространственного распределениявозбужденных оптическим излучением неравновесных носителей в полупроводнике;нахождение оптимальных размеров и размещения полупроводниковой пластины вволноведущем СВЧ-тракте с учетом неравновесного и, возможно, неравномерногопространственного распределения в ней избыточной проводимости; анализ и оптимизацияосновных источников шумов.1.1.Влияние диффузионных процессов на характеристики приемников с СВЧ-смещением[18,24].Результаты представленные в Части I.
настоящего доклада позволяют оптимальнымобразом расположить полупроводниковую пластину в СВЧ-волноводе для получениямаксимального СВЧ-отклика на измененияее удельной проводимости. Однако, взависимости от механизма поглощения ИК-излучения полупроводником, коэффициентпоглощения, а следовательно и глубина скин-слоя ИК-излучения в образце, можетсущественным образом отличаться. Так, для случая собственного поглощения, глубина скинслоя составляет ~ 10-5 – 10-6 м (ближний ИК-диапазон), а в случае примесного поглощения ~10-2 – 10-3 м. Если при этом толщина полупроводниковой пластины превышает глубину скинслоя, то в объеме полупроводника неизбежно возникает пространственная неоднородностьраспределения фотоносителей заряда иначинают протекать процессы диффузиинеравновесных носителей заряда из области с повышенной их концентрацией (освещееннаяобласть) в область с пониженной.
В результате диффузионных процессов в течениеопределенного времени устанавливается некоторое стационарное распределение избыточныхфотоносителей, которое, однако,может быть пространственно существенно неоднородным.К моменту рассмотрения этой задачи не было изучено сколько-нибудь подробно влияниена диффузионные процессы дальней грани полупроводниковой пластины с “закрытыми”границами – в отсутствие каких-либо потоков заряда, пересекающих поверхность пластины.Последнее, в частности, имеет место, когда полупроводниковая пластина помещаетсябесконтактным образом в цепь с СВЧ-смещением. При этом в рамках исследуемой задачисущественным представлялся вопрос и о частотно-временных зависимостях распределенияизбыточных носителей заряда по объему образца, т.е.
при различных длительностяхвозбуждающего излучения или для различных частот его модуляции.Для решения отмеченных проблем, в приближении слабого оптического сигнала, былорассмот- рено уравнение диффузии вида:∂∆ N e , p ( z, t )∂t=−∆ N e, p ( z, t )τ∂ ∆N+D∂z2e, p2e, pe, p− D e, p( z, t )+ Φ ( z, t )∂∆ N e , p ( z , t )∂zz =0= + D e, pс граничными условиями∂∆ N e , p ( z , t )∂zz =lи начальным условием ∆ N e , p ( z,0) = 0 , где ∆ N e , p ( z, t ) - количество избыточных электронов∆ N e или дырок ∆ N p на единицу длины пластины вдоль направления распространения55оптического излучения (вдоль оси z);τ e, p иDe, p- время жизни и коэффициент диффузиисвободных носителей заряда (электронов или дырок соответственно); Φ ( z, t ) - функцияисточника, которая задает количество возбужденных носителей заряда в единицу времени всечении z.В рамках рассматриваемой задачи (прием слабых сигналов) справедливо допущение, что( n , p - темновые, равновесные концентрации электронов и дырок∆ N e, p 〈〈 n , pсоответственно) и время жизниτe, pz =0 ,l= τ e, p0〈 z 〈 lτe, pне зависит от величины ∆ N e, p и, как следствие этого,= τ e , p .
Одномерное приближение уравнения диффузии было обусловленотем, что в приемниках на объемных фотосопротивлениях при детектировании принимаемыхсигналов, как правило, стараются использовать всю обнаружительную поверхностьчувствительного элемента, и, если плотность падающего излучения однородна в плоскости,перпендикулярной направлению распространения излучения, то градиент концентрациивозникает только вдоль оси z.Вид функции источника был выбран в предположении, что на полупроводниковуюпластину, толщиной l такой, что α l 〉〉 1 , где α - коэффициент поглощения оптическогоизлучения в полупроводниковой пластине, падает поток излучения с переменнойинтенсивностью, который можно описать при z ≤ 0 функцией вида Φ0 (1 +cos ω M t )/2, гдеΦ - поток фотонов в единицу времени.
Тогда функция источника имеет вид:0Φгдеε( z ,t ) = α ηΦ0 e⎡ε ⎤,z )⎥1 + cos ω M ( t −c⎢⎥2⎢⎥⎥⎦⎣⎢−αz ⎢- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; c – скоростьраспространения электромагнитного излучения в вакууме;η- квантовая эффективность(вероятность возбуждения электронно-дырочной пары при взаимодействии с фотономпадающего излучения).В результате численного решения уравнения диффузии было установлено, что какпространственная, так и динамическая неоднородности распределения фотоносителей вполупроводниковой пластине ухудшают характеристики такого типа приемников, причем,если пространственная приводит к уменьшению СВЧ-отклика (чувствительности), тодинамическая сужает полосу пропускания (широкополосность). В результате численного ианалитического анализа решения уравнения диффузии был установлен критерий однородностираспределения фотоносителей для широкого класса полупроводниковых материалов ссобственной фотопроводимостью, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
