Дипломная работа на тему: Исследование оптических характеристик функционального преобразователя свет-частота основе

Введение

Развитие цифровой электроники на сегодняшний день тесно связанно с возможностями интегральной микроэлектроники. Одним из наиболее перспективных направлений современной микроэлектроники является функциональная микроэлектроника, основанная на использовании динамических неоднородностей, обеспечивающих несхемотехнические принципы работы устройств. В функциональной микроэлектронике используется взаимодействие потоков электронов с акустическими и электромагнитными волнами в твёрдом теле, свойства полупроводников, магнетиков и сверхпроводников в магнитных и электрических полях и др. [1,2]. В отличие от используемых в схемотехнической микроэлектронике статических неоднородностей, формируемых в процессе изготовления прибора, динамические неоднородности возникают в объеме твердого тела под действием внешних физических факторов при функционировании прибора и выступают в роли непосредственных носителей информации. Использование возможностей функциональной микроэлектроники позволяет заменить сложные интегральные схемы их функциональными аналогами, что, в свою очередь, дает очевидные преимущества: меньший размер, простота конструкции, меньшее энергопотребление и др.

Как известно, все современные полупроводниковые датчики являются аналоговыми приборами, и для применения их в цифровой электронике необходимо использование аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Кроме дополнительного потребления электроэнергии, АЦП также вносит погрешности в детектируемый сигнал, которые состоят из ошибок квантования и апертурных ошибок [3]. Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП и не могут быть устранены ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Другой вид ошибок связан с тем, что любой шум, или "дрожание" фазы тактовой частоты АЦП, смешивается с полезным сигналом и в результате происходит искажение формы преобразуемого сигнала. Подобные системы плохо подходят для детектирования сложных сигналов в различных системах передачи данных.

Установление механизмов управления динамикой доменов сильного поля, исследования особенностей проявления этих неустойчивостей в условиях воздействия однородного или локализованного оптического излучения открывают перспективы создания различных электронных, оптоэлектронных и электрооптических элементов и устройств с широкими функциональными возможностями, способных осуществлять прием, обработку, хранение, передачу и отображение сложных информационных сигналов в широком диапазоне частот (от десятков kHz до десятков GHz). Синтез таких систем с использованием планарной технологии позволяет совместить неоспоримые достоинства интегральной электроники с большими возможностями функциональных компонентов. А переход от схемотехнической к функциональной интеграции в таких микроэлектронных функциональных устройствах снимает необходимость создания множества мелкоструктурных элементов и межсоединений и обеспечивает возможность локализованного оптического воздействия на активную область отдельного элемента.

Таким образом, совмещение функции детектора и аналогово-цифрового преобразователя в одном функциональном приборе позволит избавиться от описанных недостатков АЦП. В качестве такого функционального прибора может быть реализован фотоэлектрический преобразователь свет-частота на основе высокоомного арсенида галлия.

В связи с этим, целью данной работы является исследование воздействия электромагнитного излучения видимого и ИК диапазонов на параметры токовых колебаний в мезапланарных структурах на основе высокоомного арсенида галлия n-типа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

анализ литературы, посвященной исследованиям неустойчивостей тока в полупроводниках;

анализ современного состояния элементной базы полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей;

экспериментальное исследование воздействия электромагнитного излучения видимого и части ИК диапазонов на постоянную составляющую тока, амплитуду и частоту токовых колебаний в мезапланарных структурах на основе высокоомного арсенида галлия n-типа с различной формой контактных площадок;

экспериментальное исследование влияния приложенного к мезаструктуре напряжения на характер зависимости частоты от падающей мощности лазерного излучения;

анализ и интерпретация полученных экспериментальных результатов;

Оглавление

- Введение

- Исследования неустойчивостей тока в полупроводниках

- Современное состояние элементной базы полупроводниковых оптических преобразователей

- Элементная база

- Сферы применения

- Экспериментальное исследование оптических характеристик преобразователя свет-частота с металлическими контактами различной формы

- Конструкция однокристального преобразователя свет-частота и методика проведения экспериментального исследования

- Результаты экспериментального исследования оптических характеристик преобразователя свет-частота

- Анализ и интерпретация результатов экспериментального исследования

- Функциональные свойства Аналоги

- Выводы

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод о том, что функциональный однокристальный преобразователь свет-частота может быть реализован на основе высокоомного n-GaAs с помощью широко развитых и доступных плнарных технологий и не требует большого числа технологических операций.

Согласно полученным экспериментальным данным, 1) форма контактов не влияет на зависимость частоты от освещенности, 2) форма зависимости частоты от освещенности аналогична форме зависимости среднего тока через структуру от освещенности. Так же в ходе проведения исследования установлены некоторые функциональные особенности, которые могут использоваться в цифровой электронике.

Согласно сравнительной таблице 1, даже без отработки технологии создания разрабатываемый преобразователь свет-частота имеет меньшее энергопотребление и некритичные отклонения основных рабочих параметров. Дальнейшее исследование влияния технологических аспектов на конкретные рабочие характеристики может позволить свести такие отклонения к минимуму, а также, возможно, уменьшить и габаритные размеры.

Список литературы

1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. - 2-е изд. - М.: "Высшая школа", 1987. - 416 с.

. Щука А.А. Функциональная электроника - М. Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (техн. ун-т), 1998. - 259 с.

. Глинченко А.С. Цифровая обработка сигналов: В 2 ч. Ч. 1. - Красноярск: Изд-во КГТУ. 2001. - 199 с.

. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975. 288 с.

. Шур М.С. Современные приборы на основе арсенида галлия / Пер. с англ.; Под ред. М.Е. Левинштейна. М.: Мир, 1991. 632 с.

. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М.: Наука, 1972. 416 с.

. Neumann А. Slow domains in semi-insulating GaAs // J. Appl. Phys. 2001. V. 90. № 1. Р. 1-26.

. Kiyama М., Yamada М., Tatsumi М. Quantitative analysis оf low-frequency current oscillation in semi-insulating GaAs // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. V. 27. Р. 185-188.

. Kiyamа М., Tatsumi М., Yamadа М. High-electric-field current-voltage characteristics and low-frequency oscillations in а low-dislocation-density semi-insulating GaAs // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. Р. 116103-1-116103-3.

. Yong D., Shengli L., Fuchuan Z. Modulation оf low-frequency oscillations in GaAs MESFETs' channel current by sidegating bias // Chinese Science Bulletin. 2005. V. 50. № 9. Р. 932-935.

. Albuquerque Н.А., Dа Silva R.L., Rubinger R.М., Dе Oliveira А.G., Ribeiro G.М., Rodrigues W.N. Modeling Chaotic Current Oscillations in Semi-Insulating GaAs with Rate-Equations оf Impact Ionization and Field-Enhanced Trapping // Brazilian J. Phys. 2006. V. 36. № 2А. Р. 248-251.

. Муравский Б.С., Григорьян Л.Р., Рубцов Г.П., Черный В.Н. Перспективы использования рекомбинационной неустойчивости тока в функциональной электронике // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог, 2000. С. 69.

. Neumann А.J. Slow domains in semi-insulating GaAs // Appl. Phys. 2001. V. 90 (1). Р. 1-26.

. Муравский Б.С. и др. Исследование кинетики поверхностно-барьерной неустойчивости // ФТП. 1972. Т. 6 (11). С. 2114-2122.

.Муравский Б.С. и др. Исследование кинетики поверхностно-барьерной неустойчивости тока // Микроэлектроника. 1989. Т. 18 (4). С. 304-309.

. Zucker J., Conwell Е.М. The recombination оf hot carriers in germanium // Phys. and Chem. Solids. 1961. V. 22. Р. 141-147.

. Pratt R.G., Ridley В.К. Hot electrons and negative resistance аt 20°К In n-type germanium containing Аu- centers // Phys. and Chem. Solids. 1965. V. 26. № 1. Р. 21-31.

. Ridley В.К., Pratt R.G. The Capture оf Hot Electrons by Gold Centres in n-type Germanium // Proc. Phys. Soc. 1963. V. 81. №6. Р. 996-1012.

. Kagan М.S., Kalashnikov S.G., Zhdanova N.G. Nonlinear Electrical Effects and Recombination оf the Hot Electrons in Compensated Germanium // Phys. Status Solidi. 1965. V.11. №1. Р. 415-428.

. Горюнова Н.А., Леонов Е.И., Орлов В.М., Родионов Л.Ф., Сондаевский В.П. Неустойчивости тока в CdSnP2 // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 12. С. 459-461.

. Воробьев Ю.В., Костылев С.А., Макарова Т.В., Прохоров Е.Ф. Захват горячих электронов в структурах эпитаксиальная пленка n-GaAs - полуизолирующая подложка // ФТП. 1984. Т. 18. №10. С. 1784-1787.

22. Михайлов А.И., Митин А.В. Экспериментальное исследование неустойчивостей тока в длинных высокоомных планарных структурах арсенида галлия в условиях воздействия оптического излучения // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докл. VI Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы" / Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. Казань, 2007. С. 240-241.

. Михайлов А.И., Митин А.В. Низкочастотные колебания тока в длинных планарных высокоомных структурах арсенида галлия // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IX международной конференции. Ульяновск: УлГУ, 2007. С. 85.

. Михайлов А.И., Митин А.В. Рекомбинационная неустойчивость тока в длинных высокоомных планарных структурах арсенида галлия в условиях воздействия оптического излучения // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докл. VII Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения А.С. Попова: Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". Самара: "Самарское книжное издательство", 2008. С. 232-233.

. Михайлов А.И., Митин А.В., Терентьева А.И., Павлов А.А. Особенности рекомбинационных неустойчивостей тока в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах арсенида галлия // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов VIII Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". СПб.: Политехника, 2009. С. 130-131.

. Михайлов А.И., Митин А.В., Терентьева А.И. Исследование рекомбинационной неустойчивости тока в длинных структурах на основе высокоомного GaAs // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы IX Международной научно-технической конференции. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2010. С. 84.

. Муравский Б.С. Электрофизические и фотоэлектрические свойства транзисторных структур с распределенным эмиттером и функциональные приборы на их основе / Б.С. Муравский, Г.П. Рубцов, Л.Р. Григорьян, О.Н. Куликов// Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2000. № 10.

28. Михайлов А.И., Митин А.В., Кожевников И.О. Особенности возникновения устойчивых колебаний тока большой амплитуды в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах на основе арсенида галлия // Всероссийская конференция "Микроэлектроника СВЧ": Сборник трудов конференции, Том 1. СПб.: ГЭТУ, 2012. - С. 49-53.

. Михайлов А.И., Митин А.В., Кожевников И.О. Многочастотная генерация в параллельных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах на основе арсенида галлия// Всероссийская конференция "Микроэлектроника СВЧ": Сборник трудов конференции (электронная версия). Санкт-Петербург: СПбГЭТУ, 2013.