СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 а б h ν 1 h ν 1 h ν 2 h ν 3 Si iD Si iD Si iA Si iA E C E C E C E C E i E i E i E i E V E V СВЧ E V E V E Fn E Fn E Fp E Fp E → E → – – – – – – + + + + + + прекратит свою работоспособность на длинах волн фотонов, близких к 1,5…1,7 мкм ( ≈ 0,72 эВ = ½ E g GaAs ), т.е. приблизительно на фотонах излуча- тельной рекомбинации Ge, что очень важно, поскольку постоянные решё- ток Ge и GaAs практически идентич- ны, и на этих свойствах легко выстра- иваются оптические «системы-на- кристалле» любого типа, как чисто оптико-цифровые, так и оптические АЦП и ЦАП СБИС. Частоты скоростей обработки информации (сигнала) таких систем недоступны для других аналогичных систем. Подводя итог вышесказанному, сле- дует отметить, что скорость передачи электромагнитной энергии в общем виде или электрической, в частном, в LPE i-GaAs (Si) выстраивается следу- ющим образом: 10 7 см/с<V T < V D < V V < V B < V F * ≤ C / n, (12) где V T – макроскопическая дрейфо- вая скорость; V D – доменно-лавинная скорость; V V – «Velocity Overshoot» ско- рость; V B – баллистическая скорость; V F – фотонная скорость. V F * справедливо только до значений энергий ионизации атомов амфотер- ного кремния, т.е. Е F = h ν ≤ E iD … Е iА (Si) в i-GaAs. При Е F  E iD … Е iА (Si) в LPE i-GaAs ско- рость фотона в LPE i-слое V F резко сни- жается (на три порядка) и трансфор- мируется в типовую «горбатую» Ган- на-дрейфовую скорость в пределах (2…1) × 10 7 см/с. Это связано с иони- зированной генерацией ЭДП с глубо- ких акцепторных и донорных уровней кремния в GaAs и резким уменьшени- ем соотношения энергетических масс фотона (электрической и магнитной массы) и генерируемых с ионизиро- ванных атомов электронов и дырок (обнуление электромагнитной массы фотона и резкое изменение эффектив- ной массы электронов и дырок). В ито- ге появляется энергетический транс- форматор, который выглядит следую- щим образом (см. рис. 5), где E C – дно зоны проводимости GaAs, Е V – потолок валентной зоны; Е i = Е F0 – собственный химический потенциал в GaAs (уровень Ферми); h ν 1 – входящая фотонная вол- на; h ν 2 , h ν 3 – преобразованные, выходя- щие фотонные волны; Е → – электриче- ское поле, приложенное к i-GaAs слою; – СВЧ элек- тромагнитная волна или импульсы, в любом случае, квантованная волна или квантованный импульсный стробо- пакет; Е Si iD – энергия ионизации донор- ных атомов Si; Е Si iA – энергия иониза- ции акцепторной примеси. Принцип работы фотонного пре- образователя (см. рис. 5) основан на трансформации диэлектрических свойств i-GaAs монокристалла в свой- ства полупроводникового GaAs моно- кристалла с модуляцией скорости про- хождения электромагнитной волны в i-слое от C / n ( С = 3 × 10 10 см/с) до дрей- фовой скорости электрона в GaAs (Si) ((1…2) × 10 7 cм/с) с качественным изме- нением соотношения: (13) где ε × μ и ε 0 × μ 0 – начальные (фотон- ные) и конечные (полупроводни- ковые) значения диэлектрической и магнитной проницаемости, т.е. показатели, характеризующие элек- тромагнитную энергетическую массу в монокристалле в различной энерге- тической фазе. Механизм энергетического преобра- зования на рисунке 5а в LPE i-GaAs (Si), к которому приложено электрическое поле, основан на процессе ионизации амфотерных атомов Si в подрешётках Ga и As, в результате чего происходит генерация ЭДП в объёме i-GaAs. Под воздействием поля электроны и дырки конденсируются по краям i-GaAs зоны в соответствии с полярно- стью электрического поля. Ожидаемая энергия фотонов находится в пределах 0,7…1,4 эВ или в пределах гетероизлу- чателей на основе Ge или InP. В случае (см. рис. 5а) электронная масса аккумулируется вблизи зоны, находящейся под большим положи- тельным потенциалом, что может при- вести к инверсной заселённости элек- тронов в этой зоне и последующей электролюминесценции с сильно выра- женной когерентной спектральной полосой излучения h ν 2 . Дырки конден- сируются у противоположной стороны. При полярности электрического поля (см. рис. 5б) при временах пере- ключения выше чем скорость рекомби- национного заселения ионизирован- ных Si можно ожидать, что произой- дёт опережающий дрейф электронов в левую зону. Из-за разницы подвиж- ности электронов и дырок при малых значениях напряжённости поля и при достаточно малых дрейфовых расстоя- ниях произойдёт инверсия электронов и дырок вблизи краёв энергетической запрещённой зоны и, как следствие – практически когерентная рекомбина- ция носителей. Такой эффект исключительно важен для построения доменно-лавинных мощных силовых коммутаторов, СВЧ, терагерцевых и лазерных излу- чателей. Преобразователь (см. рис. 5) может реализовать следующие функции: ● эффективной волоконно-оптической модуляции СВЧ-сигналов (ВОЛС); Рис. 5. Фотонный LPE i-GaAs преобразователь: а – трансформация фотонной проводимости в полупроводниковую; б – инвертирование вектора подвижности носителей заряда в полупроводнике