А. И. Михайлов, И. О. Кожевников, А. В. Митин



Скачать 43,55 Kb.
Дата17.10.2016
Размер43,55 Kb.
Функциональные возможности преобразователя свет-частота на основе высокоомного

арсенида галлия

А.И. Михайлов, И.О. Кожевников, А.В. Митин


Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

E-mail: kozhevnikov_io@rambler.ru


Одним из наиболее перспективных направлений современной микроэлектроники является функциональная электроника, основанная на использовании динамических неоднородностей, обеспечивающих несхемотехнические принципы работы устройств. В функциональной микроэлектронике используется взаимодействие потоков электронов со звуковыми и электромагнитными волнами в твёрдом теле, свойства полупроводников, магнетиков и сверхпроводников в магнитных и электрических полях и др. [1]. Использование возможностей функциональной микроэлектроники позволяет заменить сложные интегральные схемы их функциональными аналогами, что в свою очередь дает очевидные преимущества: меньший размер (высокая плотность интеграции), простота изготовления и др.

Как известно, для применения полупроводниковых оптических датчиков в цифровой электронике необходимо использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Кроме дополнительного потребления электроэнергии, АЦП вносит погрешности в детектируемый сигнал [2]. Избавиться от описанных недостатков можно отказавшись от использования АЦП, совместив функции фотодетектора и аналого-цифрового преобразователя в одном функциональном приборе. Функциональность в таком случае достигается выбором полупроводникового материала сочетающего в себе комбинированное действие нескольких физических явлений.

Высокоомный арсенид галлия является нелинейной активной средой, в которой, помимо известного эффекта Ганна, возможно наблюдение характерной неустойчивости тока, обусловленной механизмом захвата электронов глубокими примесными центрами в полуизолирующем полупроводнике под действием сильного электрического поля (рекомбинационная неустойчивость тока). Образующаяся при этом динамическая неоднородность пространственного заряда в объеме полупроводника вызывает периодические низкочастотные (1 – 1000 кГц) колебания тока во внешней цепи.

Использование планарно-эпитаксиальных мезаструктур на основе высокоомного n-GaAs позволяет получить комбинированное действие двух физических явлений: рекомбинационной неустойчивости тока и внутреннего фотоэффекта. Исследования показали, что в таких структурах возможно наблюдение осцилляций тока, параметры которых в существенной степени определяются величиной постоянного приложенного напряжения, интенсивностью и локализацией засветки электромагнитным излучением из диапазона длин волн, соответствующих собственному поглощению арсенида галлия, и рядом других факторов [3,4]. На рис. 1 а приведена характерная форма колебаний тока на нагрузочном сопротивлении (100 Ом), включенном последовательно со структурой. Как видно из рис. 1 а, уровень выходного сигнала достаточен для согласованной работы с любым цифровым считывающим устройством.



Рис. 1. Параметры наблюдаемых колебаний тока: а — форма токовых колебаний на нагрузочном сопротивлении, б — зависимость частоты колебаний от освещенности


Исходя из предположения, что частота рекомбинационных колебаний зависит от величины протекающего через структуру тока, которая, в свою очередь, определяется количеством генерируемых пар электрон-дырка в результате внутреннего фотоэффекта, зависимость частоты колебаний тока от освещенности должна повторять характерную (линейную) форму зависимости фототока от освещенности для GaAs, что подтверждается экспериментально (рис. 1 б ).

Кроме основной функции прямого преобразования светового сигнала в цифровой, с помощью предлагаемого фотопреобразователя можно получать более широкие функциональные возможности. Например, в ходе экспериментальных исследований было установлено, что при превышении некоторого порога интенсивности падающего излучения происходит срыв генерации. На рис. 2 приведена характерная для данного случая зависимость частоты колебаний от освещенности, на которой имеется два устойчивых положения, соответствующих логической единице (колебания присутствуют) и логическому нулю (колебания отсутствуют), переключение между которыми осуществляется засветкой конечной интенсивности (точки А и B). При этом положение точек А и В зависит от приложенного к структуре напряжения. Все это позволяет использовать такой преобразователь в качестве оптически-переключаемого логического элемента «НЕ» (инвертора).


Рис. 2. Зависимость частоты колебаний от освещенности с участком гистерезиса


Приведенные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о том, что планарно-эпитаксиальные мезаструктуры на основе высокоомного n-GaAs могут быть использованы для создания функционального однокристального преобразователя свет-частота с возможностью непосредственного подключения к любому цифровому входу без схем преобразования. Главными преимуществами такого прибора являются: более точная регистрация изменений частотного сигнала, чем амплитудного; простота технологии изготовления; более низкое энергопотребление; отсутствие АЦП, вносящего погрешности измерения.
Библиографический список


  1. Щука А.А. Функциональная электроника. – М: МИРЭ, 1998. 235 c.

  2. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. – М.: Изд-во стандартов, 2009. 317 с.

  3. Михайлов А.И., Митин А.В. Экспериментальное исследование спектра колебаний тока в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах арсенида галлия в условиях засветки // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2011. Т. 14. № 4. С.87–91.

  4. 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, Том 1. СПб.: ГЭТУ, 2012. С.49–53.


Сведения об авторах

Михайлов Александр Иванович – к.ф.-м.н., профессор, дата рождения: 23.02.1953 г.

Кожевников Илья Олегович – аспирант, дата рождения: 02.08.1987г.


Митин Антон Васильевич – ст. преподаватель, дата рождения: 23.08.1983 г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)




Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница