Многофункциональные элементы оптоэлектроники на основе симметричных фоторезисторных структур (стр. 2 )

. (10)

Гармоники с частотами равными могут быть удалены на выходе фоторезистора фильтром низких частот. Рассмотрим процесс детектирования в случае угловой модуляции поднесущей. Пусть оптический сигнал с угловой модуляцией поднесущей при индексе угловой модуляции имеет вид:

. (11)

При подаче на фоторезистор напряжения с частотой, равной частоте поднесущей , сигнал на выходе фоторезистора будет содержать модулирующий сигнал, который может быть выделен фильтром низких частот:

. (12)

Если оптический сигнал модулирован по оптической частоте, то для детектирования оптических сигналов применяется гетеродинный метод приема сигналов. Для выделения информации из колебаний промежуточной частоты используется электрический детектор. Применение высокочастотного питания фоторезистора, с частотой равной промежуточной, позволяет осуществить синхронное детектирование такого сигнала без применения электронных детекторов. Рассмотрим математическую модель этого процесса. Пусть и напряженности электрического поля оптического сигнала несущего информацию, и оптического сигнала гетеродина; , - соответственно частоты оптического сигнала и сигнала гетеродина, отличающиеся на частоту радиодиапазона. Мощность оптического сигнала на частоте радиодиапазона равна:

. (13)

Ток фоторезистора при подаче переменного напряжения будет содержать гармонику сигнала, мощностью , при условии .

, (14)

где , , - темновая проводимость, - фотопроводимость. При выполнении условия: , на выходе фоторезистора появится составляющая тока, пропорциональная сигналу сообщения:

. (15)

Следовательно, фоторезистор, в данном случае, выполняет одновременно три функции: 1) регистрирует модулированный оптический сигнал и сигнал гетеродина; 2) осуществляет смешивание оптического сигнала и сигнала гетеродина; 3) осуществляет операцию детектирования при подаче на него переменного напряжения с частотой . Такое решение, во-первых, резко упрощает схему приема и обработки оптического сигнала, несущего информацию. Во-вторых, повышает качество обработки информации за счет снижения нелинейных искажений и, в-третьих, сокращает время задержки сигнала.

Рассмотрим возможность управления электрическими сигналами при помощи оптических сигналов устройством на основе фоторезистора. Смеситель (перемножитель) сигналов является базовым элементом многих радиотехнических устройств, например модуляторов.

Пусть оптический сигнал, несущий информацию за счет модуляции по интенсивности, имеет вид:

, (16)

где – постоянная составляющая интенсивности света, , , – соответственно амплитуда, частота и фаза гармоник, изменяющейся во времени интенсивности света. Подавая на фоторезистор высокочастотное напряжение вида , при условии , получим выражение для тока на выходе фоторезистора:

, (17)

где , – частота высокочастотного сигнала, – амплитуда переменного напряжения, темновой ток, - фототок при освещении интенсивностью , - фототок при освещении интенсивностью , - наивысшая частота в спектре модулированного по интенсивности света. Из выражения (17) следует, что фоторезистор может выполнять функцию модулятора (смесителя) двух сигналов с частотами k и , не внося, в отличие от транзистора, дополнительных гармоник, кратных k и , поэтому нет необходимости применения дополнительных фильтров. Используя выражения (17), получим соотношение для глубины модуляции амплитудно-модулированного (АМ) сигнала:

. (18)

Из (18) следует, что , т. к. всегда выполняется неравенство . С помощью фоторезистора можно проводить спектральный анализ оптических сигналов, модулированных по интенсивности оптических сигналов и электрических сигналов. При на выходе фоторезистора появится низкочастотный ток с амплитудой пропорциональной амплитуде k-ой гармоники исследуемого сигнала. Следует отметить, что в качестве анализируемого сигнала может выступать приложенное к фоторезистору напряжение или модулированный по интенсивности оптический сигнал. Простейшая действующая схема анализатора спектра гармоник модулированных по интенсивности оптических сигналов представлена на рис.6.

Рис. 6. Простейшая схема анализатора спектра: 1 – фоторезистор, 2 – перестраиваемый генератор, 3 – гальванометр магнитоэлектрической системы, 4-источник света

В таблице 1 приведены данные по спектральному анализу прямоугольных импульсов света (скважностью ) с частотой следования импульсов 100 Гц. Там же приведен спектральный состав меандра с , полученный в результате разложения меандра в ряд Фурье. За единицу принята амплитуда первой гармоники. Вплоть до девятой гармоники наблюдается совпадение с точностью 1% ,соответствующей точности измерения гальванометра (М-95). В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе высокоомного кремния.

Таблица 1

k	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Эксперимент	1	0	0,33	0	0,2	0	0,14	0	0,11
Расчет	1	0	0,333	0	0,2	0	0,1428	0	0,111

Следует отметить, что рассмотренный способ получения АМ-колебания не позволяет получить балансно-модулированное колебание. Рассмотрим другой способ подачи несущего колебания на фоторезистор, позволяющий получить балансно-модулированное колебание. Пусть в качестве несущего сигнала выступает оптический сигнал, модулированный по интенсивности с частотой несущего сигнала ():

. (19)

Модулирующим сигналом будем считать однотональный сигнал вида:

. (20)

Ток на выходе фоторезистора будет равен:

, (21)

где - темновой ток при постоянном напряжении ; - фототок при напряжении ; - фототок при напряжении ; - темновой ток. Выражение (21) содержит амплитудно-модулированный сигнал. В данном случае глубина модуляции равна:

. (22)

Так как может быть больше , следовательно, возможно получение балансно-модулированного колебания. Но при этом необходимо применение фильтра высоких частот для удаления низкочастотного колебания . На рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные осциллограммы балансного колебания, полученного с помощью фоторезистора на основе высокоомного кремния. Второй способ позволяет получать АМ и балансно-модулированное колебания, при отсутствии нелинейных искажений модулирующего сигнала, в том числе в случае нелинейной кинетики фотопроводимости. Достоинствами обоих способов получения АМ сигналов с помощью фоторезистора является простота конструкции и идеальная гальваническая развязка несущего и модулирующего колебания.

Таким образом, проведенное рассмотрение показывает, что в фоторезисторе возможно совмещение операций приема и обработки (детектирования) модулированных оптических сигналов. Совмещение в фотоприемнике функций приема и детектирования, без элементов электроники, позволит выносить электронику на периферию, обеспечивая с помощью неё только процессы усиления и фильтрации сигналов.

Рис. 5. Экспериментальная (1) и теоретическая (2) осциллограммы балансно-модулированного колебания на выходе фильтра. Коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции (Гц) равен 0,1. частота несущего сигнала. (1).

Такое решение позволяет обеспечить непрерывный переход из оптических систем передачи данных в электронные. Фоторезистор можно назвать фотонным аналогом транзистора, выполняющим функцию прямого аналогового умножения сигналов. Фоторезистор может заменить транзистор в системах обработки электрических сигналов с помощью оптических сигналов, обеспечивая гальваническую развязку и повышение точности преобразования электрических сигналов.

В пятой главе изучаются нелинейные искажения, вносимые фотоприемником в регистрируемый модулированный по интенсивности оптический сигнал. Рассмотрено влияние кинетики фотопроводимости, инжекционных явлений, схемы измерения на нелинейные искажения.

Реальный фоторезистор является нелинейным элементом, даже при омических контактах и однородной генерации носителей светом в объеме. Нелинейная зависимость проводимости фоторезистора от уровня освещения связана с нелинейной кинетикой процессов рекомбинации. Кинетическое уравнение при гармоническом возбуждении в рамках ранее принятых приближений запишется как:

, (23)

где , , , А - скорость генерации носителей светом, , -коэффициент поглощения света, -квантовый выход, -интенсивность света в квант/сек·м2, , R - коэффициент отражения, – время жизни свободных носителей при низком уровне освещения. При высоком уровне инжекции , решение (23) в квазистационарном приближении , может быть найдено в аналитическом виде. Полагая , получим:

. (24)

Разлагая выражение (24) в ряд Фурье, определим коэффициент нелинейных искажений (КНИ), вносимых фоторезистором при квадратичной рекомбинации:

(25)

Это предельное значение КНИ фоторезистора в случае квадратичной рекомбинации, работающего при условии . Рассмотрим промежуточные случаи. Разделим соотношение (23) на 2.

, (26)

где - относительная концентрация, =t/tn, - относительная скорость генерации свободных носителей. В уравнении (26) постоянная времени при низком уровне возбуждения равна единице, следовательно, - граничная частота при низком уровне инжекции. Для сравнения с экспериментом использовались следующие соотношения, полученные из (26), при стационарном освещении интенсивностью при условии :

, , (27)

где - отношение стационарной неравновесной концентрации свободных носителей к равновесной; – темновой ток; – ток при стационарном освещении интенсивностью , измеряемые экспериментально. При расчетах была обнаружена закономерность, которая связывает КНИ (S) с глубиной модуляции (M):

. (28)

На рис. 7 приведены теоретические и экспериментальные зависимости КНИ в зависимости от уровня возбуждения и глубины модуляции. Уровень возбуждения рассчитывался из соотношения . Вплоть до высокого уровня возбуждения (Y = 6) КНИ линейно зависит от глубины модуляции. Все расчеты были проведены при низкой частоте с-1, которая значительно меньше граничной частоты, равной . Приемлемые нелинейные искажения, менее одного процента, могут быть получены при глубине модуляции менее 0,05. Для исключения нелинейных искажений модулирующего сигнала он должен подаваться на фоторезистор в виде напряжения, а высокочастотный - в виде модулированного по интенсивности оптического сигнала (см. главу 4). В этом случае нелинейные искажения будут обусловлены только устройством, преобразующим сигнал сообщения в напряжение.

Рис. 7. Экспериментальная и теоретическая зависимости КНИ:

1- от глубины модуляции М, 2-от относительной концентрации .

В диссертации рассмотрен случай межзонной кубической рекомбинации вида:

, (29)

где - относительная концентрация, - относительная скорость генерации. В случае КНИ достигает значения 34,6%.

Анализ влияния примесей на нелинейные искажения фототока проведен на примере полупроводника с двумя примесными уровнями. Кинетические уравнения в безразмерных координатах для полупроводника с донорным и рекомбинационным уровнями записаны в виде:

, (30)

, (31)

где - относительная концентрация ионизованных центров рекомбинации; -относительная концентрация электронов, инжектированных светом в зону проводимости; -относительная концентрация центров захвата (ловушек); -относительная скорость теплового освобождения ловушек; - относительный коэффициент захвата электронов из зоны проводимости ловушкой; - относительная интенсивность возбуждения; - относительное время, измеренное в единицах .

В таблице 2 приведена зависимость КНИ (S примес., %).) от относительной избыточной концентрации () в случае рассматриваемой модели. Там же приведены эти данные для собственного полупроводника (Sсобст., %.). КНИ в случае примесного полупроводника значительно ниже и отличается почти в два раза в сторону меньших значений.. В случае примесного полупроводника КНИ, равный 18%, достигается при относительном уровне возбуждения равным 40. Это означает, что в случае примесного полупроводника возможно получение более глубокой модуляции при меньших нелинейных искажениях. Расчет проводился при следующих данных: в единицах , , , .

Таблица 2

М	0,09	0,17	0,23	0,286	0,33	0,5	0,67	0,75
	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	4	6
Sсобст, %	2,27	4,16	5,76	7,13	8,32	12,46	16,5	18,46
Sпримес, %	1,13	2,09	2,92	3,65	4,3	6,7	9,6	11,4

Для анализа нелинейных искажений, связанных с контактной инжекцией, мы воспользовались феноменологическим соотношением для переменного тока: