Многофункциональные элементы оптоэлектроники на основе симметричных фоторезисторных структур (21.09.2009)

Автор: Денисов Борис Николаевич

получим:

для люминофора ЭЛ-515 и для люминофора ЭЛ-525 при различных частотах переменного напряжения, являются линейными. Следовательно, зависимость энергии W (яркости В) от напряжения в произвольном случае должна иметь вид:

Выражение для скорости генерации, согласно (37), равно:

? функция, характеризующая скорость рекомбинации свободных носителей на центры свечения. Используя равенство (39), с учетом переходных процессов в цепи, содержащей активное сопротивление и емкость, получим:

где m = соnst. На рис. 10(А, Б) построены теоретические (1) и экспериментальные (2) зависимости сдвига максимума свечения от приложенного напряжения при неизменном RC для люминофоров ЭЛ-515 и ЭЛ-525 соответственно.

Рис.10. Зависимость tmax от напряжения U02.

А ( ЭЛ-515, Б ( ЭЛ-525. При (s-2)RC=20мкс., U01 =180В

была рассчитана из экспериментальных кривых. Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических кривых, построенных по формуле (41), является доказательством правильности соотношения (40).

, то вспышка включения будет меньше вспышки выключения.

Для исследования зонной структуры порошковых люминофоров с рекомбинационным типом свечения нами предложен метод ТСЕ (рис. 11).

Рис. 11. А – Конструкция планарного электролюминесцентного конденсатора. Б – Эквивалентная схема структуры: 1 ? алюминиевые электроды, 2 ? ситалловая подложка, 3 ? слой люминофора, 4 ? слой диэлектрика

) в нашей структуре:

. Это условие совпадает с условием максимума термостимулированной проводимости (ТСП). Следовательно, для расчета глубины центров захвата, можно использовать соотношения, применяемые при расчетах по кривым ТСП. Метод ТСЕ может быть использован только для люминофоров с рекомбинационным типом свечения. В люминофорах ЭЛ-515, ЭЛ-525 и КО-530 методом ТСЕ обнаружены глубокие центры захвата (более 0,78эВ), которые из-за температурного тушения не проявляются при термовысвечивании (ТВ). На рис. 12 приведены кривые ТВ и ТСП для люминофора ZnS-In. На кривой ТВ у люминофора ZnS-In в области низких температур проявляется три пика при Т1 = –160 0С, Т 2 = –88 0С, Т 3 = –45 0С, а в области высоких температур – один пик при Т4= +110 0С, причем пик при температуре Т1 является сложным. Глубины залегания центров захвата равны соответственно Е1 = 0,24эВ, Е2= 0,398эВ, Е3= 0,49эВ и Е4 =0,8эВ. На кривой ТСЕ наблюдается два пика в высокотемпературной области при Т =+1280С (0,78эВ) и в низкотемпературной – Т=–200С (0,49эВ). Из кривых ТСЕ следует, что в низкотемпературной области термическое опустошение ловушек не сопровождается появлением свободных носителей, следовательно, центры захвата должны иметь возбужденные состояния, находящиеся в запрещенной зоне. Впервые с помощью емкостного метода изучены явления перераспределения зарядов по уровням локализации у люминофора ZnS-In (рис. 13, рис. 14).

Рис. 12. Кривые ТВ (1) и ТСЕ (2) люминофора ZnS-In (f=5кГц)

Рис. 13. Кривые ТВ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=1100С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при ?196 0С (2)

Рис. 14. Кривые ТСЕ для люминофора ZnS-In измеренные после возбуждения при Т=1100С (1) и облучении ИК светом 0,7 мкм при ?196 0С (2)

Рис. 15. Зонная схема люминофора ZnS-In

По кривым ТВ и ТСЕ обнаружено, что переселение зарядов с уровня Е1= 0,398 эВ ((88 (С) на уровень Е2= 0,29 эВ ((138 (С) осуществляется без перехода в зону проводимости. На кривых ТСЕ (рис.14) не наблюдались максимумы в этой области температур, соответствующих максимумам Т (рис.13). На основе этого вывода была уточнена энергетическая зонная схема данного люминофора, в которой центры с энергиями Е1 и Е2 не имеют возбужденного состояния в зоне проводимости (рис.15). Таким образом, анализ процессов переноса зарядов с одних мест локализации на другие, а также кривых ТВ и ТСЕ позволяет уточнять зонную схему различных порошковых люминофоров.

. На рис. 16 приведена кривая спада яркости вспышек от времени хранения для люминофора ЭЛ-525 при температуре –196 ?С.

Как видно из рис. 16, время хранения оптической информации достигает одного часа. Проведенные исследования позволили сделать вывод о способе повышения времени хранения. Для его увеличения необходимо увеличить толщину диэлектрического слоя на поверхности алюминиевых дорожек.

Рис. 16. Зависимость интенсивности вспышки от времени хранения

для структуры на основе люминофора ЭЛ-525 (t= (196 ?С)

Ом). Рассмотрим математическую модель явления оптической памяти. Энергия излучения вспышки может быть найдена из уравнения:

, (43)

– квантовый выход. Выражение (43) верно для случая полной экранировки. Получим математическую модель вспышки свечения. Полагая, что время возвращения свободных носителей с границ кристаллов определяется временем стекания зарядов с металлических дорожек конденсатора, получим:

где N0 – начальное число зарядов на обкладках конденсатора. Дифференциальное уравнение изменения числа ионизованных центров при возвращении свободных носителей с границ зерен кристаллов в объем будет иметь вид:

отн.ед. Хорошее соответствие кривых, представленных на рис. 17 (А, Б) говорит о правильности выбранной для расчета модели.

Рис. 17. А(теоретическая зависимость интенсивности вспышки свечения от времени; Б(экспериментальная осциллограмма вспышки свечения структуры с люминофором ЭЛ-515

Проведенные исследования показали, что планарная структура типа МДПДМ на основе порошковых люминофоров может быть использована как устройство хранения оптической информации. Длительность хранения зависит от сопротивления диэлектрической прослойки и температуры. В качестве люминофоров должны использоваться полупроводники, в которых возбуждение сопровождается переходом электронов в зону проводимости. Для получения цветных изображений необходимо использовать смеси люминофоров, которые излучают в синей, зеленой и красной областях спектра.

В седьмой главе приводятся практические результаты работы. Рассмотрены ряд устройств, в которых фоторезистор выступает в роли смесителя. На рис.18 приведена блок схема передатчика с амплитудной модуляцией. Модулирующий сигнал подается на источник света 8. От источника света оптический сигнал, изменяющийся по закону модулирующего сигнала, поступает по световоду 9 на фоторезистор 3. На выходе фоторезистора согласно (17) появится амплитудно-модулированный сигнал, который по линии связи поступает на усилитель 5 и далее через согласующую линию связи 6 в антенну 7. Наличие световода, по которому распространяется модулирующий сигнал, позволяет обеспечить высокую скрытность источника сообщения. КНИ такого передатчика зависит в основном от уровня возбуждения фоторезистора (глубины модуляции). КНИ смесителя передатчика зависит от глубины модуляции и достигает S=2% при глубине модуляции M=10%. Для исключения нелинейных искажении, связанных с модулятором, необходимо несущий сигнал подать на источник света, а модулирующий ( на фоторезистор. Предлагаемое решение значительно проще аналога за счет идеальной развязки несущего и модулирующего колебания и имеет низкий КНИ, S<0,1% для второго случая.

Рис. 18. Блок схема передатчика с амплитудной модуляцией: 1( перестраиваемый высокочастотный генератор, 2, 4 и 6( линии связи, 3(фоторезистор, 5(усилитель мощности, 7(антенна, 8(источник света, управляемый сигналом сообщения, 9(световод

Рассмотрим анализатор спектра электрических сигналов, в котором в качестве смесителя выступает фоторезистор (рис. 19). Исследуемый сигнал подается на усилитель входного сигнала 1. Гармонический сигнал с перестраиваемого гетеродина 5 подается на источник света 6. Оптический сигнал, интенсивность которого изменяется по закону сигнала гетеродина, поступает по световоду 8 на фоторезистор 2. На выходе фоторезистора появится сигнал, частоты гармоник которого будут равны разности частот гармоник анализируемого сигнала и частоты гетеродина. Далее сигнал с фоторезистора поступает на фильтр низких частот 3.

Рис. 19. Последовательный анализатор спектра электрических и модулированных оптических сигналов на основе резисторного оптрона:

1?усилитель, 2 ? фоторезистор, 3 ? фильтр низких частот, 4 ? регистрирующие устройство, 5 ? перестраиваемый гетеродин, 6 ? источник света, 7 ? частотомер, 8 ? световод

. Частота данной гармоники измеряется частотомером 7. Предлагаемый анализатор спектра отличается простотой изготовления, высокой точностью и может быть реализован на основе существующих перестраиваемых генераторов исполняющих роль гетеродина, фоторезисторных оптопар, частотомеров, усилителей и вольтметров.

В качестве управляемого сопротивления во многих радиотехнических устройствах используется полевой транзистор. Основным недостатком таких устройств, являются отсутствие гальванической развязки между несущим и модулирующим сигналом, и нелинейные искажения. Эти недостатки можно исключить или уменьшить при использовании фоторезистора в качестве управляемого сопротивления. На рис.20 (А) представлена схема фазового модулятора на основе мостовой схемы, где транзистор, в качестве управляемого сопротивлении, заменен фоторезистором. На вход схемы подается высокочастотный сигнал Uвх( с частотой (. Модулирующий сигнал (сигнал сообщения) подается на источник света 6. Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения по световоду 5, поступает на фоторезистор 3. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом, а, следовательно, в соответствии с сигналом сообщения. В результате фаза высокочастотного сигнала на выходе устройства будет изменяться по закону:

При небольших уровнях освещенности, фоторезистор является линейным элементом и его проводимость, в отличие от прототипа, линейно зависит от интенсивности света, т.е. от управляющего сигнала. На рис.20 (В) приведена зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции.

Рис.20. А ( схема фазового модулятора на основе мостовой схемы с фоторезистором в качестве управляемого сопротивления: 1, 2 ( резисторы, 3 ( фоторезистор, 4 ( конденсатор, 5 ( световод, 6 ( управляемый сигналом сообщения источник света. B ( зависимость КНИ (S) от индекса угловой модуляции (m)

Измерения показали, что КНИ, вносимый фоторезистором совместно со светодиодом, равен 0,25% при глубине модуляции М=0,2. Использование фоторезистора в качестве управляемого элемента в фазовом модуляторе на основе мостовой схемы выгодно отличает предлагаемый фазовый модулятор от указанного прототипа, так как уменьшает КНИ, повышая качество передаваемого сигнала и обеспечивая высокую скрытность источника сообщения. Это связано с тем, что источник сообщения может быть удален от радиостанции с фазовым модулятором на значительное расстояние с помощью световода.

записывается в виде:


загрузка...