Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

было получено условие, при котором отношениефотопроводимостей на дальней и передней гранях полупроводниковой пластины∆ σ (l ) / ∆ σ (0 ) = θ равно единице: θ = 5⋅10 − 3 (D τ ) , причем, было показано, что динамическаяαl24неоднородность распределения фотопроводимости, связана с пространственной, и исчезает приθ ≈1 .1.2.Анализ шумовых характеристик [5,6].56Поскольку в исследуемом случае полупроводниковая пластина помещаласьбесконтактным образом в СВЧ-линию передачи, то анализ влияния шумов можно былоограничить тремя основными видами шумовых источников – генерационно рекомбинационным (ГР), тепловым и фоновым. Избыточные шумы контактной природы внашем случае отсутствовали, что являлось одним из существенных достоинств выбраннойсхемы с СВЧ-смещением. Проведенный анализ природы возможных источников шумов и ихчисленная оценка для данного способа приема, показали, что преобладающими являютсяшумы генерационно - рекомбинационной природы.Природа ГР-шума заключается в том, что концентрация свободных носителейфлуктуирует относительно среднего уровня, соответствующего тепловому равновесию.Среднеквадратичная флуктуация (∆N ) количества носителей N , определяемаяГР2механизмом для полупроводниковых материалов с собственной проводимостью, составляет:(∆N ) = N22sn(f)=4,а спектральная плотность флуктуаций∆Nполосе22∆fотносительноsf 1+ ∆ f s(∆N )∆f=s∫ sf1n( f )df =видеодетектирования(∆N )∆f122Vsравна:Среднеквадратичные флуктуации количества носителей в некоторойτ.21 + (2πfτ )частот2соответственно⎛ n ⎞ где=⎜ 0 ⎟ ,⎝ 4V ⎠2(∆N ) arctgπ(поn02πτ∆21 + 4(πτ )оптическому2fsf (f11каналу)fчастоты+∆fs∆fs).= 1 2πτ ;Вfсоставляют:sслучае1=0иможнопрямогозаписать:- концентрация свободных носителей заряда; V - объем образца.Таким образом, анализ ГР-шумов показал, что в случае, когда шумы такой природыявляются преобладающими, необходимо уменьшать объем чувствительного элемента и (или)концентрацию темновых носителей заряда.

Поскольку в приемниках оптических излучений,как правило, желательно не уменьшать обнаружительную поверхность, то, очевидно, чтотребование уменьшения объема необходимо отнести к уменьшению толщиныполупроводниковой пластины.1.3.Чувствительность и полоса пропускания.Суммируя результаты анализа влияния пространственной и временной неоднородностейраспределения фотопроводимости в полупроводниковой пластине, а также анализ шумовыхограничений на чувствительность приемника, можно было сделать общий вывод онеобходимости использования тонких ( d 0 〈〈 λ ) полупроводниковых чувствительных элементовдля получения предельных значений чувствительности и широкополосности такогоприемника ИК-излучений с СВЧ-смещением.С целью определения величины отклика двойного волноводного Т-моста на изменениякоэффициента отражения СВЧ-волны от полупроводниковой пластины при воздействии на нееИК-излучения, было проведено численное и аналитическое (в предположении слабого ИКсигнала) исследование.

Численный анализ, результаты которого представлены на рис.19,полностью совпали с выводами, полученными в Части I. настоящего доклада.57∆P4108642dкзλВ2λВ4λελε423λε45λε4λεРис.19Аналитический анализ,с учетом результатов Части I. позволил получить количественнуюоценку зависимости величины СВЧ-мощности отклика двойного Т-моста∆P4 отξητe0 ( µ e + µ p ) ⎞ , где P 3Phω : ∆P = P P ω ⎜⎜⎛⎟⎟4Vhω⎝⎠2мощностиИК-излучения342hмощность опорного СВЧ-генератора, η -квантовая эффективность полупроводниковогоматериала, ξ - коэффициент, определяемый темновыми параметрами полупроводника,характеристиками СВЧ-волны и СВЧ-волновода [4,6], e0-заряд электрона. Из полученногосоотношения можно оценить требования к предельной чувствительности СВЧ-приемникаDСВЧ для достижения пороговой чувствительности по ИК-излучению, взяв величинуPωh minна уровне генерационно-рекомбинационных шумов для конкретного полупроводникового⎛⎞⎡⎤ P3 Phω min ⎜ ξητe0 ( µ e + µ p ) ⎟втили для=DСВЧ ⎢⎣ ( гц)1/ 2 ⋅ см ⎥⎦⎜⎜⎟⎟ ,∆V⋅hωf4⎠s ⎝22материала в полосе пропускания ∆f s :фоторезисторов с толщинами, лежащими в интервале значений от 0,1 до 20 мкм, можно2воспользоватьсясоотношением:2DСВЧ≅P Pω4 ∆f3h mins⎛ 103ητe0 (µ e + µ p) ⎞⎜⎟,⎜⎟S ⋅hω⎝⎠гдеS[M2]-площадьпоперечного сечения СВЧ-волновода.Проведенный численный и аналитический анализ влияния амплитудной и частотнойнестабильностей СВЧ-генератора на характеристики приемника показали, что амплитудныенестабильности компенсируются двойным Т-мостом (еще одно преимущество выбранной СВЧсхемы), а частотная нестабильность приводит к появлению разбаланса Т-моста, величину2которого можно оценить из соотношения: ∆P = ⎛⎜ ∆ω СВЧ ⎞⎟ .P ⎝ ω СВЧ ⎠43Оценка максимально возможной полосы пропускания такого типа приемника показала,что , как и ожидалось, добротность выбранной СВЧ-схемы не превышает величины Q ≤ 2 ,соответственно полоса пропускания может достигать величины ∆f ≅ 1 / 2 f , где f СВЧ sнесущая частота СВЧ-генератора.58СВЧПроведенные оценки предельных величин чувствительности приемника с СВЧсмещением такого типа показали, что исходя из реальных параметров полупроводниковыхматериалов и характеристик СВЧ-приемников, она может достигать пороговых значений науровне ограничения генерационно-рекомбинационными шумами, например, при n0=1019М-3,толщиной d0=1мкм, относительной диэлектрической проницаемостью фоторезистора впределах 2 ≤ ε / ≤ 20 , полосе пропусканияприподвижностиносителейµe, p∆fs= 1010 Гц в ближнем ИК-диапазоне≈ 5m 2 / в ⋅ с,τe, p≈ 10 −10 c .ПриэтомкλИК= 1,5 мкмСВЧ-схемепредъявляются следующие требования: мощность опорного СВЧ-генератора Р3=0,1вт причастотной стабильности не хуже 3.10-6 и чувствительности СВЧ-приемника DСВЧ=10-16вт/Гц1/2.1.4.

Экспериментальное исследование характеристик приемника ИК-излучений с СВЧсмещением.Экспериментальные исследования были проведены на установке, блок-схема которойприведена на Рис.20.Рис.20Экспериментальные исследования проводились в 8-мм СВЧ-диапазоне, на клистронномгенераторе мощностью Р3=10мвт. В индикаторном плече двойного Т-моста был использованСВЧ-усилитель с коэффициентом усиления К=20дб и коэффициентом шума F=10ед.

исупергетеродинный СВЧ-приемник с DСВЧ=10-19вт/Гц и полосой пропускания попромежуточной частоте (28МГц) ∆f = 10 4 Гц. Освещение фоторезистора осуществлялось черезsметаллическую сетку, прозрачную для ИК-излучения и являющуюся короткозамыкающейнагрузкой для СВЧ-волны.В качестве фоточувствительныъх элементов приемника исследовались различныеполупроводниковые материалы: Ge, Si, GaAs, InSb, Ge(Au), Ge(Zn), Ge(Hg), причем, последниетри легированные примесные образца Ge, предназначенные для прима в среднем ИКдиапазоне ( λ ИК ∈ 8 ÷ 20 мкм ), исследовались при температурах жидкого азота и гелия вспециально разработанном для этих целей оптическом криостате.На основе результатов, изложенных в Части I настоящего доклада, устанавливающихколичественную связь электрофизических параметров материала слоев с его59интерференционными СВЧ-характеристиками, была разработана и использована дляизмерения на СВЧ, методика определения таких параметров полупроводниковых материаловкак /в широких пределах: 1〈ε / 〈 20; 10 −4 〈σ 〈10 3 (ом ⋅ м ) −1 , 10 −8 〈τ 〈10 −3 c.ε ,σ ,τИспользуя результаты измерений электрофизических параметров полупроводниковыхматериалов, было проведено исследование характеристик такого типа приемников ИКизлучений для различных фоторезисторов.

В результате измерений было получено хорошеесоответствие измеренных экспериментально и рассчитанных по приведенным вышесоотношениям предельной чувствительности приемника. Так, например для фоторезистора изчистого Ge (n0=1019m-3, τ =10-4c., ε/=16) толщинойλε/ 4 (d0 =0,52мм), измеренная величинаобнаружительной способности составляла D*э=5.1010[ Гц1/2.см/вт], а теоретически рассчитаннаяD*т=8.1010[Гц1/2.см/вт].При создании приемников изучения среднего ИК диапазона, в силу малого коэффициентапоглощения ИК-излучения, на чувствительный фоторезисторный элемент производилосьнапыление многослойной структуры либо типа МИП, либо ТИС, в зависимости отконструктивных и функциональных особенностей приемника. Так, например, при созданииприемника ИК-излучения ( λ ИК = 10,6 мкм ) проходного типа на основе примесного Si втехническое задание входили требования: энергетический коэффициент пропускания наосновной длине волны не менее 0,9 и на интервале 1,2 ≤ λ ≤ 3мкм не более 0,2 и, кроме того,общая физическая толщина согласующей структуры не должна была превышать 3мкм.

Намибыла аналитически синтезирована и напылена двухслойная ТИС, состоящая из ВаF2 (n1=1,45) иZnSe (n2=2,55) с толщиной слоев соответственно d1=0,76мкм и d2=0,35мкм, вычисленными поформулам, приведенным в Части I настоящего доклада. Экспериментально изготовленное длятакого приемника покрытие обеспечивало энергетический коэффициент пропускания 0,94(потери в примесном Si составляли 6%), на интервале от 1,2 до 3мкм коэффициентпропускания не превышал 0,1, а физическая толщина всей ТИС была равна 1,11мкм.2.

Приемники миллиметровых излучений на “горячих” носителях [7,12,25,32,38,39,42].На основе экспериментальной установки, описанной выше, нами была предложена неисследованная до этого схема кросс-модуляционного приемника миллиметровых (ММВ) исубмиллиметровых (СММВ) волн с СВЧ-смещением на разогреве свободных носителей зарядав полупроводнике InSb (Рис.21).Рис.21601-генератор ММВ; 2-переменный калиброванный аттенюатор; 3-измеритель ММВ мощности;4-волномер; 5-гелиевый криостат; 6-вакуумное соединение; 7-СВЧ-генератор; 8-ферритоваяразвязка; 9-фазовращатель; 10-переменный аттенюатор; 11-согласованная нагрузка; 12-СВЧприемник.В качестве электродинамической системы для согласования чувствительного элемента спринимаемым излучением и полем СВЧ-смещения был использован двухчастотный резонатор,который на частотах принимаемого ММВ излучения являлся квазиоптической резонанснойсистемой, а для СВЧ-волн - объемным цилиндрическим резонатором.

Характеристики

Список файлов диссертации