Приемник электромагнитного излучения Советский патент 1992 года по МПК H01L31/04 

созданием контактов между полупроводником и сверхпроводником, а также с необходимостью согласования высокоомной полупроводниковой структуры со сверхпроводящими устройствами.

Наиболее близок к предлагаемому приемнику по своей физической сущности фотоприемник на основе внутреннего фотоэффекта (фоторезистор). Такой приемник представляет из себя пленку или пластину из высокоомного полупроводника, поглощающую принимаемое излучение и снабженную двумя невыпрямляющмми контактами для включения в электрическую цепь. Электрическая цепь преобразует изменение сопротивления полупроводника, вызванное поглощаемым излучением, в электрический сигнал и содержит источник питания и схему согласования с внешними устройствами. Фоторезисторы обладают хорошей чувствительностью, широко используются в различных электронных и автоматических устройствах.

Недостатком, препятствующим использованию фоторезисторов для приема информации по оптическим каналам связи в крио-ЭВМ, является необходимость для их работы источников питания и схем согласования с низкоомными сверхпроводящими элементами. Этот источник питания и схемы согласования усложняют конструкцию приемника и являются источниками дополнительных помех, которые, учитывая чрезвычайно высокую чувствительность элементов крио-ЭВМ, могут приводить к сбоям в работе крио-ЭВМ.

Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение помехоустойчивости приемника при использовании его в крио- ЭВМ за счет получения возможности его использования без источников питания и дополнительных схем согласования.

Указанная цель достигается тем, что в приемнике электромагнитного излучения, содержащем полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и электронное устройство с выходными клеммами, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника под действием принимаемого излучения в электрический сигнал, в качестве электронного устройства использован колебательный контур, индуктивностью которого является соленоид, полупроводник помещен в магнитное поле этого соленоида, а концы соленоида являются выходными клеммами. Соленоид может быть помещен в магнитное поле дополнительно введенного источника квазистатического магнитного

поля таким образом, чтобы силовые линии этого магнитного поля в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида; при этом увеличивается вольт-ваттная чувствительность приемника.

На чертеже приведена схема предлагаемого приемника.

Конструктивной основой приемника является диэлектрическая подложка 1. На ней расположена пластина из полупроводника 2. Эта пластина находится в магнитном поле короткозамкнутого сверхпроводящего витка 3 и охватывается витком соленоида 4, который подсоединен к выходным клеммам 5. Принимаемое излучение падает на пластину 2 сверху.

Приемник работает следующим образом.

Электромагнитное излучение поглощается пластиной из полупроводника 2. Под действием этого излучения в полупроводнике генерируются свободные носители заряда, Пластина 2 становится проводящей и выталкивает из себя магнитное поле короткозамкнутого витка 3. При этом изменяется магнитный поток через соленоид 4, что и приводит к появлению на клеммах 5 напряжения, которое и является выходным сигналом. Причем, напряжение на клеммах 5 появляется только в том случае, когда магнитный поток через соленоид 4, а следовательно, и интенсивность светового

излучения меняются во времени. Другим условием работоспособности приемника является достаточно низкая температура, при которой энергия теплового движения лежит ниже энергии ионизации, приводящей к

образованию свободных носителей заряда. Приемник работоспособен и в отсутствие короткозамкнутого витка 3 с током или какого-либо другого источника квазистатического магнитного поля.

Действительно, соленоид всегда является индуктивностью колебательного LC- контура. В нашем случае С - это паразитная (межвитковая) емкость. Если теперь световое излучение промодулировано по амплитуде с частотой со 2/k vLC(k 1, 2, 3...), контур будет параметрически раскачиваться и на выходных клеммах 5 появится переменное напряжение. Раскачка контура происходит из-за

периодического изменения индуктивности L соленоида, которое вызвано тем, что при освещении полупроводниковой пластины электромагнитным излучением с периодически изменяющейся интенсивностью периодически изменяется и эффективная магнитная проницаемость полупроводника

Вольт-ваттная чувствительность приемника равна (при наличии источника постоянного магнитного поля)

. ft WM0e2l2BoToln (2 R/d) ,,, А mnEkRM1)

где w - число витков соленоида; fio - магнитная постоянная;

1 - длина свободного пробега носителей;

В0 - абсолютное значение индукции магнитного поля,

Т0- время жизни свободных носителей заряда;

R - радиус пластины;

d -толщина пластины;

mn эффективная масса,

Ек энергия кванта излучения.

В случае отсутствия источника внешнего магнитного поля условие возникновения колебаний имеет вид

Ро

12rtR2mnEkRo Mke2l2Zc//0w0 ft)

(2)

где РО - мощность светового потока;

RO - сопротивление, характеризующее потери энергии в контуре;

Мк - взаимоиндуктивность витка тока и соленоида;

Wo - погонная плотность витков соленоида.

В случае использования сверхпроводящего соленоида при температуре, при которой происходит вымораживание полупроводника, РО определяется лишь потерями в нагрузке. Оценим значение РО, при котором в контуре возникают колебания. Примем , mn 0,118 х кг, Ек 21,8 х Дж, Мк 1,6 х Гн, е 1,6 х

1-19

ё

Кул., 3,13 х 10° м, Т0 5 х 10 fio - 1,26 х Гн/м. W0 - Ю6 м 1, CD 6,28х хЮ6 , Ro Ом. Подставив эти значения, получим условие возникновения колебаний: РО 6 х Вт.

Таким образом, передача информации в крио-ЭВМ может осуществляться по оптической линии связи с использованием инфракрасного источника излучения (например, полупроводникового лазера) мощностью 60 мкВт.

Оценим теперь возможность приемника с источником магнитного поля. Пусть приемник принимает инфракрасное излуче

ние (длина волны Я 0,9 мкм, частота

И4

V 3,3х Ю чГц, Ек-h v 21,8x ) Полупроводниковая пластина толщиной d 0,5 мм и радиусом R 1 мм изготовлена из

5 InSb, рабочая температура 77К, при этом ,118хЮ 31кг, Г0 107с, 1 3,13х 106м Информация передается на частоте 1 МГц, соленоид состоит из одного витка, В0 0.7Тл Подставив эти значения параметров в фор10 мулу (1), получим, что вольт-ваттная чувствительность приемника А 4х 10 3В/Вт.

Верхняя граничная частота приемника определяется обратным временем жизни носителей заряда frpeepx I/ r0 Ю7 Гц.

15 в качестве нижней границы частотного диапазона приемника примем частоту, на которой вольт-ваттная чувствительность падает в два раза. Из формулы (1) следует, что частота будет в два раза меньше номинальной

20 frp нижн 0,5 МГц Выходное сопротивление приемника рзвно сопротивлению соленоида и близко к нулю. Таким образом, определены все основные параметры приемника При этом оказалось, что вольт-взтт25

ная чувствительность сравнительно низка

(А 4 х 10 В/Вт), однако она достаточна при использовании приемника для приема информации в крио-ЭВМ. Следует также отметить, что величина А легко может быть

30 повышена путем увеличения числа витков соленоида. Кроме того, А повышается и в том случае, когда соленоид является индуктивностью колебательного контура. Вольт- ваттная чувствительность в этом случае

35 увеличится до величины А х Q, где Q - добротность контура; при этом рабочий диапазон частот будет определяться полосой пропускания контура.

Предлагаемый приемник электромаг40 нитного излучения прост по конструкции, имеет выходное сопротивление, близкое к нулю, и может быть без каких-либо дополнительных элементов и источников питания согласован с любыми, в том числе и сверх45 проводящими элементами, что весьма существенно в крио-ЗВМ.

Приемник не имеет каких-либо источников помех. Источником шума является только сопротивление обмотки соленоида,

50 которое может быть сведено к минимальной величине или даже к нулю в случае использования обмотки из сверхпроводника. Формула изобретения 1. Приемник электромагнитного излуче55 ния, содержащий полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и устройство с выходными клеммами, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника под действием

принимаемого излучения в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции приемника, а также повышения помехоустойчивости при использовании .приемника в криогенной электронно-вычислительной машине за счет осуществления приема электромагнитного излучения без дополнительных согласующих устройств и источников питания, устройство, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника в электрический сигнал, выполнено в

и

виде колебательного контура с соленоидом, концы обмотки которого соединены с выходными клеммами, а полупроводник помещен внутри соленоида,

52. Приемник по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что дополнительно содержит источник постоянного магнитного поля, соленоид помещен в магнитное поле источника так. чтобы силовые линии магнитного поля источ- 10 ника в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида.

Изобретение относится к области электроники, в частности к области криоэлектро- ники, и может быть использовано для ввода информации в крио-ЭВМ. Целью изобретения является упрощение конструкции приемника электромагнитного излучения, повышение помехоустойчивости при использовании его в криоЭВМ за счет получеИзобретение относится к электротехнике, а более конкретно к области криоэлектроники. Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение для ввода информации в криоЭВМ. Известен ряд приемников электромагнитного излучения различных диапазонов длин волн. В оптоэлектронике широко используются фотоприемники на основе фото- гальванического эффекта, в которых поглощение фотонов с энергией, большей ширины запрещенной зоны, сопровождаетния возможности его использования без источников питания и дополнительных схем согласования. Указанна цель достигается тем, что в приемнике электромагнитного излучения, содержащем полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и электрическую схему с выходными клеммами, преобразующую изменение электродинамических свойств полупроводника под действием принимаемого излучения в электрический сигнал, в качестве электрической схемы использован колебательный контур, индуктивностью которого является соленоид, полупроводник помещен в магнитное поле этого соленоида, а концы обмотки соленоида соединены с выходными клеммами. Соленоид может быть помещен в магнитное поле дополнительно введенного источника квазистатического магнитного поля таким образом, чтобы силовые линии этого магнитного поля в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида, при этом увеличивается вольт-ваттная чувствительность приемника. 1 з. п. ф-лы, 1 ил. ся образованием электронно-дырочных пар с обеих сторон от p-n-перехода и возникновением в нем ЭДС. Такие фотоприемники используются в измерительных и индикаторных приборах, поскольку обладают достаточно высоким быстродействием