Способ усиления и модуляции света

 

пакта Ссеетсми2

Сааиалистическис

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 27.XI I.1968 (№ 1294282/26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 23.1!1.1973. Бюллетень № 16

Дата опубликования описания 26.VI.1973

М. Кл. G 02f 1/00

Н 0 ls ЗИ18

Н Oll 15/00

Комитет по лолам иаабретаиий и открытий при Совета Микистрат

СССР

УДК 621.382(088.8) Автор изобретения

Б. В, Корнилов

Заявитель

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ И МОДУЛЯЦИИ СВЕТА где

10 (2) Изобретение относится к опто- и фотоэлектронике и может найти применение в различных оптоэлектронных устройствах в автоматике, вычислительной технике и других областях, где не требуется высокое быстродействие. Оно может быть также использовано в различных моделях биологических систем.

Известны способы усиления света и оптроны, в которых используют свойства комбинации фотопроводник — электролюминофор. В качестве фотопроводников используют обычно пленки CdS, PdS и CdSe, ZnSe, ZnTI, а в качестве электролюминофоров кристаллы

ZnS, активированные различными элементами, например Си, Мп и др.

Однако при использовании этих систем электролюминофор испытывает старение кроме того, возникает необходимость использования сравнительно высоковольтных источников питания переменного тока (для «зажигания» электролюминофора требуется напряжение не менее 10 в).

Цель изобретения — повышение коэффици.ента усиления и модуляции света.

Цель достигается тем, что при усилении и модуляции света по предлагаемому способу с использованием последовательно включенных источника излучения (светового диода), фо1орезистора и батареи постоянного тока к фоторезистору прикладывают поле Е„определяемое из условия

Š— Рв(1+V1+ ) с — /

3 2С„(. — 1) D — коэффициент амбиполярной диффузии; чр — частота захвата дырок;

p — подвижность носителей;

Ро "л . г тто — э з

no > no+ Po

no — концентр ация электронов;

Po — концентрация дырок; т и тр — времена жизни электронов и дырок соответственно, и облучают его светом постоянной интенсивности.

Коэффициент К усиления такой системы определяется соотношением / ИР.Р

t а2 где U — напряжение батареи, 25 т — время жизни носителей, p. — подвижность носителей, — коэффициент, учитывающий долю отраженного света, P — квантовый выход, ЗО а — длина фоторезистора, 375613 1 — коэффициент излучательной рекомбинации, показывающей количество излученных квантов, приходящихся на один электрон.

Формула (2) получена для коэффициента усиления, определяемого как отношение числа излучаемых квантов диодов (вышедших из кристалла) к числу квантов, падающих на фон п. торезистор. В формуле величина есть не цо что иное, как величина, обратная времени т„р пролета носителей.

Учитывая, что отношение есть усиление пр

S фотопроводника, имеем для К следующее выражение:

К = М. (3)

Следовательно, коэффициент усиления пропорционален усилению S фотопроводника,,коэффициенту q излучательной рекомбинации, квантовому выходу и коэффициенту, учитывающему долю световых квантов, вошедших в кристалл.

Для U=300 в, т=5 10 — з лк, @=10 4, @=5 10 — см/в сек, а = 0,3 см, P = 1, (1 имеем К(8.

Усиление света пропорционально отношению фототока к темновому току. При определенных условиях легирования в полупроводниках, содержащих в качестве компенсирующей примеси многозарядные акцепторы, можно получить колебан|ия тока при освещении полупроводника. При этом фотопроводник компенсируют примесью с глубоким уровнем так, что отношение обратных времен жизни неосновных носителей больше отношения концентраций основных и неосновных носителей, и вводят центр прилипания в концентрации, превосходящей концентрацию свободных носителей.

Амплитуда колебаний тока при этом может быть весьма значительной (несколько миллиампер или больше). В этом случае наряду с функцией усиления света происходит его модуляция с частотой, определяемой скоростью движения рекомбинацион ных волн. Необходимым условием возникновения рекомбинационных волн при наличии уровней прилипания является приложение электрического поля, удовлетворяющего условию (1), причем

g Т.P (по+ Po) РпР.р

0:, 1,=

Э р ° е оРп + +ooр ð где Т вЂ” температура, К; е — заряд электрона.

Пример. В качестве фоторезистора использован образец кремния, легированного цинком и фосфором и имеющего центр прилипания для электронов при Е, = 0,13 эв, а в качестве излучателя — диод из арсенида галлия. Такая пара оптимальна, так как максимум спектральной чувствительности фоторезистора и максимум спектра излучения совпадают (Х = 0,85 мкм). Кремний легировали цинком и фосфором так, что Nzn(Np(2Nzn, 5

65 где Nz„ — концентрация цинка и Ир — концентрация фосфора (в этом случае фоторезистор обладает высокой чувствительностью к инфракрасному излучению) .

Получен коэффициент усиления света К=6.

Это хорошо совпадает с оценкой, полученной по формуле (3), если в нее подставить величины, характерные для фоторезистора и диода-излучателя.

Функция н|изкочастотной модуляции достигается тем, что в фоторезисторе возникают периодические колебания тока с частотой 1—

10 сек. Величина тока при колебаниях может меняться в 2 — 17 раз, а отношение максимального тока при освещении к темновому току составляет 10 . Это явление обнаружено в таких кристаллах впервые.

Колебания тока возникали при незн ачительных облучениях W(10 вт/мм2 максимальная величина тока составляла 5 ма. Коэффициент усиления в режиме колебаний был значительно больше.

Критическая напряженность поля, при которой возникали колебания, составила 200 в/см.

Фоторезистор находился при Т = 80 К, а световой диод при Т = 300 К.

Приведенные значения К получены при использовании светодиода не с оптимальными параметрами (q = 10-4). Если применять светодиоды с q = 10, то величина коэффициента усиления света в режиме колебаний может достигать 104. Коэффициент модуляции может достигать 20 — 80 /о.

В отличие от усилителей, использующих известный способ, питание цепи осуществляется постоянным напряжением.

Предмет изобретения

Способ усиления и модуляции света с использованием последовательно включенных источника излучения и фоторезистора, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и модуляции света, к фоторезистору прикладывают поле Е„ определяемое из условия

Е ..с„(, где D — коэффициент амбиполярной диффузии;

v частота захвата дырок;

p — подвижность носителей;

О п, у о а=

t по р по + Ро

no — концентрация электронов, ро — концентрация дырок, т и т„— времен а жизни электронов и дырок соответственно, и облучают его светом постоянной интенсивности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют фоторезистор с рекомбин ационной примесью, обладающей асимметрией в сечении захвата электрона и дырок, и примесью, дающей уровень прилипания.