СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МОДУЛЯТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01L31/00 H03C7/02 

Изобретение относится к оптоэлектронике.

Известны способ модуляции электромагнитного излучения, включающий управляемое изменение пропускания при прохождении излучения через пластину из высокоомного полупроводникового материала, в котором носители тока возбуждают путем внешнего воздействия и модулятор, содержащий пластину из высокоомного полупроводникового материала и средство внешнего воздействия для разогрева носителей тока [1]
Недостатком известных способа и модулятора, обеспечивающих глубокую модуляцию сверхвысокочастотного излучения, является ограничение частоты модуляции инерционностью процесса возбуждения носителей тока.

Наиболее близким к предложенному способу и модулятору являются способ модуляции электромагнитного излучения, основанный на изменении подвижности носителей, включающий управляемое изменение пропускания при прохождении излучения через пластину из высокоомного полупроводникового материала путем изменения температуры носителей тока в полупроводниковом материале и стабилизации температуры пластины, и модулятор электромагнитного излучения, содержащий пластину из высокоомного полупроводникового материала, средство внешнего воздействия для изменения температуры носителей в полупроводниковом материале и средство стабилизации температуры пластины [2]
Недостатком известных способа и модулятора, обеспечивающих глубокую модуляцию на частотах порядка 11 ГГц, является ограничение спектрального диапазона вследствие изменения подвижности при перераспределении носителей по ветвям зоны (междолинные переходы).

Изобретение направлено на расширение спектрального диапазона модуляции электромагнитного излучения в субмиллиметровую и миллиметровую области за счет изменения подвижности носителей в процессе внутризонных переходов в пределах одной ветви зоны (долины).

Расширение спектрального диапазона модуляции достигается тем, что в известном способе модуляции электромагнитного излучения, включающем управляемое изменение пропускания при прохождении излучения через пластину из высокоомного полупроводникового материала путем изменения температуры носителей тока в полупроводниковом материале и стабилизации температуры пластины, в качестве полупроводникового материала используют арсенид галлия или антимонид индия, а в известном модуляторе, содержащем пластину из высокоомного полупроводникового материала, средство внешнего воздействия для изменения температуры носителей в полупроводниковом материале и средство стабилизации температуры пластины, пластина выполнена из арсенида галлия или антимонида индия.

На чертеже показана принципиальная схема предлагаемого модулятора.

Излучение 1 падает на пластину 2 из арсенида галлия, температура (решетки) которого стабилизируется с помощью известных средств (термостат) 3, с которым пластина находится в тепловом контакте.

Сущность изобретения, обеспечивающая возможность достижения технического результата модуляцию излучения субмиллиметрового и миллиметрового диапазона, заключается в использовании арсенида галлия или антимонида индия, в которых обнаружено изменение подвижности при переходах носителей в пределах одной ветви зоны (долины).

Управление температурой носителей тока Т_i осуществляется внешним воздействием. Существуют различные методы разогрева носителей. В изобретении для изменения температуры может использоваться либо разогрев при приложении к пластине электрического напряжения от внешнего источника, либо фоторазогрев, заключающийся в облучении пластины излучением источника с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны.

В миллиметровом диапазоне основной вклад в поглощение арсенида галлия (антимонида индия) вносит взаимодействие излучения с газом свободных носителей (полупроводниковой плазмой), создаваемых в процессе внутризонных переходов в пределах одной ветви (долины) зоны. Величина показателя поглощения определяется следующим соотношением:
α 5,26·10N где α бугеровский показатель поглощения, см^-1,
λ длина волны, мкм;
n показатель преломления;
N концентрация носителей, см^-3;
m*/m отношение эффективной массы к массе электрона;
μ подвижность, см²/В˙с.

Поскольку подвижность равна
μ , где е заряд электрона;
τ время релаксации по импульсу, сделано допущение об определяющем влиянии на показатель поглощения величины времени релаксации по импульсу, зависящей в свою очередь от энергии носителей ε:α=α(μ)=α[τ(ε)] Энергия носителей связана с температурой соотношением:
ε=kT_i где K постоянная Больцмана.

Время релаксации определяется соотношением вероятностей рассеивания носителей, соответствующих различным механизмам, и может быть представлено в общем виде μ(ε) A где А и r параметры, соответствующие различным механизмам рассеивания, и конкретизирована для арсенида галлия электронного типа проводимости μ 9000 для антимонида индия электронного типа проводимости μ 77000
В диапазоне температур 5-70 К подвижность определяется соотношением μ АТi^3/2.

В таблице приведены результаты расчета пропускания θ exp α l} на длине волны модулируемого излучения 1,4 мм при использовании пластины из арсенида галлия с концентрацией носителей 2,5˙10¹¹ см^-3 толщиной в 35 мкм.

При стабилизации температуры пластины арсенида галлия до температуры близкой к температуре жидкого азота и разогреве носителей до 300 К глубина модуляции на частоте порядка 10 ГГц равна 94%

Использование: изобретение относится к оптоэлектронике, а именно к модуляторам электромагнитного излучения. Сущность: в способе модуляции электромагнитного излучения, основанном на изменении подвижности носителей и заключающемся в управляемом изменении пропускания при прохождении излучения через высокоомный полупроводниковый материал при изменении температуры носителей тока в полупроводниковом материале внешним воздействием и стабилизации температуры полупроводникового материала, и устройстве для его осуществления, содержащем пластину из высокоомного полупроводникового материала, средство внешнего воздействия на пластину и средство стабилизации температуры пластины, в качестве высокоомного полупроводникового материала использована пластина из арсенида галлия либо антимонида индия. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

1. Способ модуляции электромагнитного излучения, включающий управляемое изменение пропускания при прохождении излучения через пластину из высокоомного полупроводникового материала путем изменения температуры носителей тока в полупроводниковом материале и стабилизации температуры пластины, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала используют арсенид галлия или антимонид индия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изменения температуры носителей тока на пластину подают электрическое напряжение от внешнего источника. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изменения температуры носителей тока пластину облучают оптическим излучением с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводникового материала. 4. Модулятор электромагнитного излучения, содержащий пластину из высокоомного полупроводникового материала, средство внешнего воздействия для изменения температуры носителей в пролупроводниковом материале и средство стабилизации температуры пластины, отличающийся тем, что пластина выполнена из арсенида галлия или антимонида индия. 5. Модулятор по п.4, отличающийся тем, что в качестве средства для изменения температуры носителей тока использован источник тока, соединенный через омические контакты с пластиной. 6. Модулятор по п.4, отличающийся тем, что в качестве средства для изменения температуры носителей тока использован источник излучения оптически связанный с пластиной.