Оптический генератор свч-импульсов

Оптический генератор свч-импульсов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области СВЧ техники, конкретно к твердотельным оптическим источникам формирования СВЧ колебаний фототока, и может быть использовано в аппаратуре систем обработки информации различного назначения для оптической генерации и управления пространственно-временными характеристиками СВЧ сигнала.

Известен ряд устройств, используемых для генерации электрических СВЧ импульсов. К числу таких устройств наряду с туннельными диодами, СВЧ транзисторами и лавинно-пролетными диодами относятся диоды Ганна (генераторы Ганна), которые представляют собой однородные полупроводниковые структуры с омическими контактами, создаваемые на основе различных по своим электрофизическим характеристикам полупроводниковых кристаллов или эпитаксиальных пленок. Для управления параметрами генерируемых диодами Ганна СВЧ колебаний (частотой, амплитудой, величиной порогового напряжения генерации (поля генерации E_п(x)), коэффициентом полезного действия, формой и т.д.) используются различные режимы работы диодов, а также схемы их включения во внешнюю цепь. Кроме того, в ряде случаев для управления параметрами генерируемых колебаний помимо электрического сигнала используется дополнительно воздействие на диод таких факторов, как магнитное и СВЧ поле, подсветка, температура и т.д., что оказывает влияние на спектральный состав и параметры генерируемых колебаний или может приводить к изменению условий возбуждения генерации [см.: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: Сов. Радио, 1975. - 288 с.].

Одним из устройств, в котором подсветка позволяет управлять условиями возбуждения и параметрами генерируемых колебаний, является диод Ганна [см.: Adams R.F., Schulte H.J. Optically triggered domain in GaAs Gunn diodes. - Appl. Phys. Lett., 15 (8), p.265-267, 1969]. Активный элемент такого диода представляет собой планарную структуру, включающую выращенный на подложке GaAs:Cr эпитаксиальный слой n-GaAs с неоднородно распределенной по площади этого слоя концентрацией легирующей примеси N_D, изменяющейся в диапазоне от 2,35×10¹⁴ до 2,35×10¹⁵ см^-3, и омические контакты, выполненные на противоположных гранях эпитаксиального слоя на расстоянии L=100 мкм друг от друга. Кроме того, данное устройство включает импульсный источник напряжения и источник световых импульсов (λ = 0,63 мкм, Р_имп=1,5 мВт), оптически связанный со слоем n-GaAs, причем импульсы напряжения и оптического излучения, подаваемые на активный элемент, синхронизированы между собой.

Оптическое управление величиной порогового поля генерации E_п(x) и частотой генерации в устройстве-аналоге основано на изменении подсветкой величины напряженности внутреннего электрического поля E(x) в диодной структуре. В отсутствие внешнего освещения приложение к диоду импульсного напряжения приводит на время действия импульса напряжения к возникновению внутри n-GaAs слоя однородно распределенного внутреннего электрического поля E(x), величина которого чуть ниже порогового поля генерации E_п(x) в области зарождения домена. В этих условиях освещение n-GaAs слоя в области анода и большей части его активной области, за исключением области, смежной с катодом, импульсом света, синхронизированным по времени с импульсом прикладываемого напряжения, приводит к незначительному перераспределению напряженности электрического поля внутри диода, его возрастанию у катода до величины E_п(x), что ведет к возбуждению одиночного домена в диодной структуре.

К числу основных недостатков такого устройства следует отнести невозможность возбуждения колебаний тока только за счет воздействующего освещения, а также невозможность оптического управления параметрами генерируемых колебаний.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, прототипом, является устройство [см.: Гонтарь В.М., Егиазарян Г.А., Рубин B.C., Мурыгин В.И., Стафеев В.И. Отрицательная дифференциальная проводимость в высокоомном арсениде галлия при освещении. - ФТП, т.5, в.6, с.1061-1066, 1971], содержащее диодную структуру, выполненную в виде многослойной

n⁺-ν-n⁺ структуры, включающей высокоомный ν-слой, созданный на основе объемного компенсированного монокристалла n-GaAs с концентрацией свободных носителей n₀=10⁷-10⁶ см^-3 и примесных уровней N_A(N_A≈10¹⁷÷10¹⁸ см³), электрические контакты, выполненные на внешней поверхности двух противоположных граней ν-слоя в виде n⁺-слоя. Кроме того, устройство также включает источник импульсного смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры, и монохроматический источник управляющего света, оптически связанный с одной из граней структуры, содержащей n⁺-слой, а генерация колебаний происходит при температуре T=203 K.

Действие устройства-прототипа основано на образовании под действием импульсного напряжения и освещения рекомбинационной (концентрационной) нелинейности в n⁺-ν-n⁺ диодной структуре. К электродам диодной структуры прикладывается напряжение смещения, обеспечивающее напряженность внутреннего поля E(x) от 1 до 5 кВ/см в ν-слое. Освещение поверхности одной из ее граней белым светом интенсивностью I от 1 до 4×10³ лк (Р _{имп. осв.}~6 мВт) приводит в ее приконтактной области к генерации неравновесных фотоносителей. Т.к. полупроводниковая компонента n⁺-ν-n⁺ структуры содержит большую концентрацию примесных уровней N_A, то при больших напряженностях внутреннего электрического поля E(x) и воздействии внешнего освещения в ней реализуется ситуация, при которой в ν-слое диодной структуры возникает сдвиг равновесия в сторону сильного преобладания процессов рекомбинации и захвата неравновесных носителей над процессами их термической и оптической генерации (в компенсированном полупроводнике это происходит за счет увеличения сечения захвата и/или изменения коэффициента захвата с ростом напряженности электрического поля и т.д.). В результате с ростом внутреннего поля dE(x), вследствие интенсивного захвата носителей на глубокие примесные уровни ν-слоя изменение концентрации носителей тока dn в зоне проводимости диодной структуры происходит значительно быстрее, чем изменение их подвижности dµ с ростом поля, т.е. dn/dE(x)» dµ/dE(x), что ведет к существенному изменению в соотношении между концентрациями носителей. Концентрация свободных носителей, определяющих проводимость диодной структуры, резко падает, а концентрация носителей, захватываемых на примесные уровни, растет. Соответственно это ведет к уменьшению проводимости диодной структуры и, как следствие, к возникновению в ней отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) dn/dE(x)<0, при возникновении которой на вольт-амперной характеристике (ВАХ) диодной структуры появляется резко падающий участок. С ростом поля уменьшение проводимости в диодной структуре происходит до тех пор, пока в ее полупроводниковой компоненте не произойдет восстановление кинетики генерационно-рекомбинационных процессов, вызывающей сдвиг в сторону преобладания процессов генерации над рекомбинацией (и/или захватом). Такого рода «обратный» сдвиг, сопровождающийся возрастанием проводимости в компенсированном полупроводнике, наступает вследствие полного заполнения примесных уровней, либо при достижении величиной внутреннего поля E(x) значения, сравнимого с величиной поля примесного уровня E* (для GaAs E*~10⁴÷10⁵ В/см). В первом случае это происходит вследствие уменьшения интенсивности захвата, происходящего по мере заполнения глубоких примесных уровней, во втором - при резком возрастании процессов автоионизации носителей с глубоких примесных уровней (обратного выброса). Как в первом, так и во втором случае (при освещении в компенсированном полупроводнике оба механизма реализуются вместе), в диодной структуре происходит рост проводимости до тех пор, пока дифференциальная подвижность электронов вновь не станет положительной dn/dE>0 (этому случаю на ВАХ диодной структуры соответствует возрастающий участок и участок насыщения), после чего в диодной структуре происходит образование рекомбинационного домена, периодическое образование которого приводит к появлению собственной низкочастотной генерации токовых колебаний в цепи, содержащей диодную структуру. В то же время большие интенсивности подсветки (I~10⁴ лк) в условиях больших внутренних полей E(x) могут приводить в ганновских диодах, создаваемых на основе компенсированных полупроводников, к появлению субгармоник в выходном спектре генерируемых колебаний. В условиях сильной подсветки их появление связано с образованием в зоне проводимости ν-слоя избыточного фотогенерированного заряда неравновесных носителей, который уже не может быть захвачен на заполненные примесные уровни. Появление такого заряда в зоне проводимости и вызывает возникновение совместной генерации двух видов колебаний: устойчивых собственных низкочастотных колебаний и неустойчивых более высокочастотных.

При этом как в условиях освещения, так и без освещения частота генерируемых рекомбинационных доменов невысока f~10³÷10⁴ Гц, поскольку она определяется не только низкой скоростью носителей υ~2,5×10^-2 см/с, но и скоростью протекания сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их выбросом в зону проводимости.

Таким образом, устройство-прототип обеспечивает при освещении в условиях низких температур (T=203 K) только собственную низкочастотную генерацию электрических импульсов и при больших интенсивностях подсветки и внутренних полях неустойчивую более высокочастотную генерацию (f≤10⁷ Гц в виде субгармоники). Кроме того, частота собственной генерации в пролетном режиме в устройстве-прототипе меняется на 1-2 октавы при изменении интенсивности подсветки или изменении величины напряжения, прикладываемого к структуре.

В настоящее время отсутствуют оптические устройства генерации СВЧ импульсов фототока, обеспечивающие генерацию СВЧ импульсов при комнатных температурах только за счет воздействующего освещения, а также позволяющие оптически и электрически управлять параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации и величиной порогового напряжения генерации (порогового поля генерации).

Изобретение направлено на решение задачи создания оптического СВЧ генератора импульсов, позволяющего осуществлять генерацию СВЧ импульсов только за счет воздействующего освещения, осуществлять оптическое и электрическое управление параметрами генерируемых колебаний при различных режимах генерации, а также повысить частоту оптически генерируемых колебаний.

Для решения поставленной задачи в оптическом генераторе, содержащем диодную структуру, включающую ν-слой и электроды, выполненные на противоположных гранях ν-слоя, а также источник смещающего напряжения, электрически связанный с электродами диодной структуры, и источник управляющего света, оптически связанный с одной из ее граней, согласно изобретению упомянутая структура дополнительно содержит два наноразмерных монослоя диэлектрика, расположенных симметрично относительно ν-слоя между электродами, выполненными в виде оптически прозрачных электродов, на поверхности которых выполнено просветляющее покрытие, и содержит относительно ν-слоя два диэлектрических охранных кольца, каждое из которых охватывает по периметру наноразмерный монослой диэлектрика, оптически прозрачный электрод и просветляющее покрытие, а источник управляющего света оптически связан с одним из просветляющих покрытий, при этом ν-слой выполнен на основе высокоомного прямозонного полупроводникового кристалла, обладающего собственной проводимостью, для которого произведение равновесной концентрации носителей на длину образца удовлетворяет условию n₀L<10¹² см^-2.

Для решения задачи повышения частоты генерируемых колебаний оптический генератор дополнительно содержит второй, расположенный параллельно первому и аналогичный ему источник управляющего света, ось излучения которого перпендикулярна плоскости второго просветляющего покрытия.

Сущность предлагаемого технического решения основана на обнаруженной автором токовой неустойчивости нового вида - объемной фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Экспериментальные исследования фотоэлектрических свойств однородных структур с неинжектирующими контактами, создаваемыми на основе прямозонных высокоомных полупроводников с собственной или близкой к собственной проводимостью, показали, что при любой полярности приложенного напряжения v₀ и освещении их собственным светом с энергией квантов hν≥E_g, где hν - энергия кванта, E_g - ширина запрещенной зоны полупроводника, протекание монополярного фототока, ограниченного пространственным зарядом (ФТОПЗ), приводит к пространственной перестройке электрического поля в объеме такой структуры. В результате на время действия освещения в объеме ее полупроводниковой компоненты у неосвещаемого электрода образуется статическая область «сильного электрического поля», что приводит к изменению исходного распределения электрического поля, величина и конечный профиль которого определяются мощностью освещающего импульса и величиной напряжения, прикладываемого к структуре. При этом величина и неоднородный профиль распределения электрического поля в структуре не меняются при сохранении мощности (интенсивности) воздействующего освещения и величины приложенного напряжения. После прекращения освещения неоднородное электрическое поле в структуре самопроизвольно возвращается к своему исходному темновому однородному состоянию за время стекания накопленного заряда свободных фотоносителей.

В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что при напряжениях смещения, обеспечивающих величину неоднородного поля в одной из частей структуры ≥E_п(x), протекание ФТОПЗ приводит к образованию в структуре ОДП и, как следствие, к возникновению фототоковой доменной неустойчивости дрейфового вида на время протекания фототока в структуре. При этом в отсутствие внешнего освещения возникновение генерации в такой структуре не происходит ни при каких значениях приложенного напряжения, вплоть до электрического пробоя структуры. Кроме того, экспериментально было установлено, что такие характеристики возбуждаемых освещением колебаний, как частота, период, амплитуда, форма и т.д., а также режимы генерации существенно отличаются как от колебаний, возбуждаемых в диодах Ганна в условиях внешней подсветки, так и от токовых колебаний, возбуждаемых в классических диодах Ганна электрическим или СВЧ полем.

Анализ результатов экспериментальных исследований с позиций нелинейной динамики показывает, что пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля лежит в основе как образования ОДП под действием освещения, так и возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости. Аналитически пространственная фотостимулированная перестройка электрического поля описывается как стационарный линейный или квазилинейный отклик, возникающий в туннельной МДП системе на время действия освещения, который приводит к изменению величины у нескольких макро- и микропараметров, характеризующих туннельную МДП систему. Однако такой вид отклика не вызывает в ней необратимых изменений, связанных как с состоянием равновесия в системе в целом, так и с состоянием электрического поля, т.к. на время действия освещения туннельная МДП система самосогласованным образом способна сколь угодно долго устойчиво поддерживать свое новое квазиравновесное состояние [см.: Перепелицын Ю.Н. Методы оптической модуляции световых потоков на основе пространственной фотостимулированной перестройки электрического поля. - В сб.: Направления развития лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине. /Труды НМТК/, Воронеж, 1995, с.1-14].

В то же время генерацию СВЧ колебаний фототока в высокоомной туннельной МДП системе следует рассматривать как новый нелинейный вид фотоэлектрического отклика, который спонтанно возникает в ней на время действия освещения после того, как вследствие оптического или/и электрического воздействия у одной или нескольких величин, характеризующих равновесное состояние макроскопически однородной туннельной МДП системы, происходит значительное превышение определенных значений, при которых туннельная МДП система уже не способна самосогласованным образом устойчиво поддерживать свое прежнее равновесное либо квазиравновесное состояние. В результате состояние квазиравновесия в объеме макроскопически однородной туннельной МДП системы становится неустойчивым и в ней происходит спонтанный переход к другому, резко неоднородному состоянию. Такой переход сопровождается качественным изменением нескольких из ее макро- и микропараметров. Прежде всего, изменение происходит у одного из ее основных внутренних макропараметров - распределения электрического поля, причем его изменение происходит скачкообразно: от исходно неоднородно распределенного в объеме всей диодной структуры к другому резко неоднородному, пространственно узколокализованному в одной из ее частей (в виде домена сильного электрического поля). При этом помимо изменения профиля распределения поля скачкообразный переход сопровождается также и другим качественным изменением. Если ранее при формировании линейного или квазилинейного отклика в условиях неизменных освещения и напряжения смещения в туннельной МДП системе происходило образование неоднородного, но стационарного профиля распределения поля , то при нелинейном отклике в тех же условиях в ней происходит спонтанное периодическое формирование динамического отклика, который в виде фотоэлектрического домена (или нескольких сразу) периодически перемещается от одного контакта к другому.

К числу основных внешних макропараметров, которыми может быть охарактеризовано состояние диодной системы, относятся: L₁ - расстояние между контактами, I - интенсивность (мощность P) воздействующего освещения, ρ - удельное сопротивление полупроводника, V₀ - величина приложенного напряжения, N_A, N_D - концентрация акцепторных и донорных уровней, n₀ - равновесная концентрация, T - температура и др. К числу внутренних макро- и микропараметров относятся:

E(x)=V₀/L₁ - величина внутреннего поля, P₀ - пороговая мощность (или интенсивность I₀) управляющего оптического сигнала, обеспечивающая оптическую инжекцию монополярного заряда свободных фотоносителей, при которой в диодной структуре выполняется критерий Крёмера: n₀L₁≥10¹² см^-2 и соответственно происходит возникновение генерации, V_п(x) - пороговое напряжение генерации, E_п(x)=V_п(x)/L₁ - пороговое поле генерации, - неоднородное электрическое поле, - подвижность носителей в неоднородном поле вне домена, J_ф - плотность фототока, - дрейфовая скорость основных носителей в неоднородном поле - подвижность основных носителей в неоднородном поле (x), τ_n, τ_p - время жизни основных и неосновных носителей, d - толщина наноразмерного монослоя диэлектрика, γ - коэффициент прозрачности туннельного барьера и др.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что внешние и внутренние макро- и микропараметры, а также соотношения между ними оказывают сложное и взаимосвязанное влияние не только на условия возникновения фототоковой дрейфовой доменной неустойчивости, но и на конечные характеристики СВЧ колебаний фототока (амплитуду, форму домена, частоту, период, когерентность и т.д.). Однако несмотря на это, можно выделить ряд соотношений между основными макро- и микропараметрами, при которых устойчиво проявляется нелинейный фотоэлектрический отклик определенного вида (режимы генерации), т.е. происходит генерация доменов, имеющих определенные пространственно-временные, мощностные и частотные характеристики, что и обеспечивает достижение положительного эффекта.

Одним из существенных признаков заявляемого устройства, обеспечивающих достижение положительного эффекта, является выполнение ν-слоя структуры на основе высокоомного прямозонного полупроводника с собственной или близкой к собственной проводимостью. Необходимость использования в полупроводниковой компоненте диодной структуры такого полупроводника существенно важно по нескольким причинам.

Во-первых, для достижения цели изобретения необходимо, чтобы при освещении управляющим светом и при любой полярности приложенного напряжения проводимость диодной структуры полностью определялась только ее фототоковой составляющей σ_ф, где σ_ф - проводимость диодной структуры при освещении. Обеспечить это условие возможно выполнением ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника и создании в диодной структуре неинжектирующих контактов, позволяющих исключить электрическую инжекцию носителей с электродов диодной структуры в объем полупроводника при приложенном напряжении смещения v₀ и в отсутствии освещения. Для высокоомных полупроводников электрически неинжектирующие контакты реализуются лишь на основе металлических слоев Au или Pt. Такие слои являются оптически прозрачными для спектрального диапазона управляемого света и одновременно с этим обеспечивают максимально высокое соотношение работы выхода металл - полупроводник, что соответственно позволяет обеспечить минимальную величину надбарьерной эмиссии даже при высоких приложенных напряжениях и практически полностью исключить электрическую инжекцию носителей в объем полупроводника. Кроме того, наличие неинжектирующих контактов является необходимым, но не достаточным условием для того, чтобы ток в диодной структуре определялся только фототоковой составляющей σ_ф. Добиться этого возможно лишь единственным способом - при выполнении ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника. Это связано с тем, что только в таком полупроводнике в условиях внешнего приложенного напряжения воздействие освещения приводит к образованию монополярного пространственного заряда свободных носителей, который в объеме полупроводника не может быть скомпенсирован зарядом другого знака в процессе его дрейфового переноса от места генерации к неосвещаемому электроду, т.к. компенсирующий заряд поступить из внешней цепи не может, а в объеме полупроводниковой компоненты он практически отсутствует. В совокупности это приводит к тому, что в диапазоне внутренних полей E(x)(0,1≤E_п(x)≤3) темновая проводимость в диодной структуре σ_тем пренебрежимо мала, а при освещении ее проводимость полностью определяется ее фототоковой составляющей σ_ф. (Как показывают оценки, при изменении напряженности темнового электрического поля E(x)~0,1≤Е_п(x)≤3 величина темнового тока изменяется в диапазоне i_тем от 10^-9 до 10^-7 A. При мощности импульсного освещения P~10-20 мВт средняя величина тока в структуре составляет i_ф~10^-3÷10^-2А, т.е. при освещении среднее изменение проводимости в диодной структуре достигает <σ_ф/σ_тем>~10^3÷10⁴ раз).

Во-вторых, генерация СВЧ колебаний под действием электрического поля может возникать лишь в диодных структурах, для которых выполняется критерий Крёмера -

n₀L>10¹² см^-2, где n₀ - равновесная концентрация, L - длина образца. Использование в полупроводниковой компоненте собственного прямозонного полупроводника, имеющего малую равновесную концентрацию носителей n₀≤10⁷ см^-3, приводит к тому, что критерий Крёмера в таких структурах исходно не выполняется (n₀L₁<<10¹² см^-2), поскольку при темновом поле E(x)≥E_п(x) и выше равновесной концентрации носителей, содержащихся в ν-слое структуры, не достаточно для возникновения домена. Поэтому в такой структуре дрейфовая доменная неустойчивость только под действием электрического поля не может возникнуть ни при каких значениях внешнего приложенного напряжения. В то же время воздействие освещения приводит к появлению в диодной структуре фототока i_ф, заряд которого обеспечивает выполнение критерия Крёмера и соответственно возникновение СВЧ генерации только при воздействии освещения.

В-третьих, выполнение в диодной структуре ν-слоя на основе высокоомного собственного полупроводника, исходно содержащего не только малую концентрацию равновесных носителей n₀, но в котором также отсутствуют глубокие и мелкие примесные уровни, позволяет при освещении и при любых внутренних полях E(x) исключить в ней протекание обменных процессов и тем самым изменить механизм образования доменной неустойчивости. Т.е. перейти от механизма рекомбинационной нелинейности, лежащей в основе образования ОДП в многослойной n⁺-ν-n⁺ диодной структуре, к дрейфовой, при которой возникновение ОДП и соответственно формирование домена происходит только за счет изменения подвижности свободных фотоносителей (dµ/dE) с ростом неоднородного поля (x), а не за счет изменения их концентрации с ростом поля (dn/dE), как это имеет место в прототипе, вследствие протекания в высокоомном ν-слое компенсированного полупроводника сравнительно медленных обменных процессов, связанных с захватом носителей на примесные уровни и их обратным выбросом в зону проводимости.

Вместе с тем, для достижения поставленной задачи данного изобретения недостаточно только изменить механизм формирования доменной неустойчивости в диодной структуре и обеспечить при освещении в ней фототоковую проводимость.

Для оптической и электрической реализации различных режимов генерации и управления параметрами генерируемых колебаний, а также для повышения частоты оптически генерируемых колебаний необходимо также обеспечить в диодной структуре:

- протекание сквозного фототока;

- пространственную перестройку электрического поля в режиме протекания сквозного фототока (как в случае генерации колебаний фототока, так и в их отсутствии), причем по окончании освещения релаксация импульса фототока должна происходить самопроизвольно и за минимальное время;

- взаимно однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими характеристиками импульса фототока, возникающего при воздействии управляющего оптического импульса.

Обеспечить выполнение указанных выше условий одновременно возможно только при выполнении между ν-слоем и металлическими электродом наноразмерного монослоя диэлектрика, причем положительный эффект будет достигаться в том случае, если наноразмерный монослой диэлектрика будет выполнен на каждой из двух противоположных граней прямозонного собственного полупроводника, и при этом наноразмерные монослои диэлектрика будут идентичны по своим электрофизическим характеристикам. Как показали экспериментальные исследования, введение в конструкцию диодной структуры симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика необходимо по ряду причин.

Во-первых, наличие в диодной структуре симметричных наноразмерных монослоев диэлектрика приводит к тому, что при любой полярности приложенного напряжения в каждой из приповерхностных областей полупроводниковой компоненты образуется равенство между потоком неосновных носителей, поступающих из объема полупроводника, которые формируют инверсионный слой, и протекающим через диэлектрический слой потоком носителей, отток которых разрушает инверсионный слой (ток утечки через диэлектрик), т.е. их наличие приводит к установлению в диодной структуре режима протекания сквозного тока. При этом изучение особенностей протекания сквозного тока в таких структурах показало, что его величина зависит от величины поверхностного потенциала φ_s и в отсутствии освещения сквозной темновой ток i_тем пропорционален темпу тепловой генерации носителей.

Как следствие, это приводит к тому, что в отсутствии освещения в диодной структуре, содержащей наноразмерные монослои диэлектрика, обладающие высокой туннельной прозрачностью, уже при малых напряжениях смещения величина темнового тока i_тем перестает ограничиваться наноразмерным монослоем диэлектрика и зависит лишь от скорости межзонной генерации электронно-дырочных пар, которая определяет темп подтока неосновных носителей обоих знаков из объема полупроводника к соответствующим границам раздела. В этих условиях совместное действие двух факторов - малой равновесной концентрации носителей n_о и полного оттока термически генерируемых носителей заряда обоих знаков во внешнюю цепь из объема собственного полупроводника - приводят к тому, что уже при напряжении смещения обедненная область распространяется на всю толщину ν-слоя (L_об>L₁), вследствие чего практически все приложенное напряжение равномерно распределяется на полупроводниковой компоненте структуры, а на нанодиэлектрических слоях падает лишь его малая часть. (Как показывают оценки, в GaAs структуре величина напряжения v_d, падающего на наноразмерном монослое диэлектрика толщиной <d> от 5 до 40 нм, составляет 0,01-0,03 V₀). Дальнейшее увеличение напряжения , прикладываемого к диодной структуре, вызывает только рост поверхностного потенциала φ_s, поскольку при этом случае уровень Ферми в металле и край зоны проводимости полупроводника смещаются одновременно. Поэтому при напряжениях смещения V₀~V_п(x) и выше токи надбарьерной эмиссии (т.е. токи основных носителей, поступающих с обоих электрических контактов в объем полупроводника), остаются пренебрежимо малыми, т.к. их величина пропорциональна и соответственно они не могут обеспечить рост концентрации носителей в объеме ν-слоя до величины, при которой согласно критерию Крёмера в диодной структуре может возникнуть электрическая генерация СВЧ колебаний тока без освещения.

Во-вторых, отток носителей из объема полупроводника во внешнюю цепь в отсутствии освещения обеспечивает при пороговых напряжениях смещения V_п(x) в диодной структуре минимальную величину темнового тока. При освещении ее управляющим светом это дает возможность получить максимально большое соотношение σ_ф/σ_тем и тем самым достигнуть в ней не только высокой фоточувствительности, но и расширить область спектральной чувствительности управляющего света.

В-третьих, исследования особенностей протекания фототока в GaAs диодных структурах, создаваемых на основе собственного полупроводника, показало, что при освещении и любой полярности приложенного напряжения наличие нанодиэлектрических монослоев приводит к тому, что величина сквозного фототока в них определяется балансом, который устанавливается в каждой из ее приповерхностных областей между фотоносителями, подтекающими из объема полупроводника к соответствующему нанодиэлектрическому слою, и фотоносителями, протекающими через наноразмерный монослой диэлектрика. Скорость установления баланса и величина фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, определяются двумя величинами: интенсивностью воздействующего освещения и прозрачностью туннельного барьера. Первая из них - интенсивность воздействующего освещения, определяющая концентрацию неосновных фотоносителей, подтекающих из объема полупроводника к соответствующим электродам диодной структуры, прямо пропорциональна интенсивности воздействующего освещения. Вторая - определяющая скорость установления режима протекания сквозного фототока и величину фототока, протекающего через наноразмерный монослой диэлектрика, зависит от вероятности туннелирования носителей через потенциальный барьер, определяется структурным совершенством слоя, наличием в нем глубоких и мелких примесей, а также концентрацией и скоростью свободных фотоносителей, величиной напряженности электрического поля на границе слоя и другими факторами. Соответственно это приводит к тому, что достижение поставленной задачи данного изобретения обеспечивается лишь при определенных электрофизических характеристиках нанодиэлектрических монослоев. Экспериментально было установлено, что такие слои должны представлять собой однородные монослои нанодиэлектрика, которые должны иметь одинаковую толщину <d> от 5 до 40 нм на всей площади грани, обладать низкой плотностью структурных дефектов и содержать в запрещенной зоне материала монослоя минимальную концентрацию глубоких ловушек захвата и при этом обладать высокой адгезией к поверхности ν-слоя и устойчивостью к пробою. Исследование особенностей протекания фототока в диодных структурах, содержащих наноразмерные монослои диэлектрика с отмеченными выше характеристиками, показало, что такие слои обладают высокой, но конечной туннельной прозрачностью, причем прозрачность туннельного слоя, определяющего величину сквозного фототока, линейно и обратимо меняется в широких приделах при изменении интенсивности воздействующего освещения и/или напряжения смещения. Как следствие, эти особенности протекания сквозного фототока приводят к следующему:

- при воздействии освещения в режиме протекания сквозного фототока за счет частичного накопления заряда свободных фотоносителей у неосвещаемого электрода диодной структуры происходит пространственная перестройка электрического поля, причем для каждой величины смещающего напряжения и/или интенсивности воздействующего освещения на границе раздела неосвещаемой грани динамически устанавливаются свои величины сквозного фототока и напряженности электрического поля;

- при воздействии освещения реализуется однозначное соответствие между пространственно-временными и энергетическими характеристиками импульса управляющего света и соответствующими им характеристиками импульса фототока;

- при генерации импульсов фототока и после окончания освещения в диодной структуре обеспечивается минимальное время самопроизвольного стекания наколенного заряда и минимальное время ухода домена во внешнюю цепь, поскольку из-за высокой скорости фотоносителей их перенос через слой происходит без захвата на примесные уровни наноразмерного монослоя диэлектрика.

В результате в условиях постоянно приложенного напряжения V₀~V_п(x) воздействие светового сигнала, мощность P₀ которого обеспечивает оптическую инжекцию монополярного заряда, при которой выполняется критерий Крёмера n₀L₁≥10¹² см^-2 (пороговая мощность), в объеме ν-слоя диодной структуре приводит к образованию неоднородного электрического поля Достижение им значения в любой области ν-слоя диодной структуры приводит к возникновению в этой области ОДП (из-за «разогрева» части свободных фотоносителей в сильном поле и их переброса из нижней подзоны n_I в верхнюю n_II) и, как следствие, к образованию дипольного слоя, обедненного свободными фотоносителями. Возникновение дипольного слоя, обладающего повышенным сопротивлением, вызывает быстрое перераспределение напряжения в ν-слое структуры: величина напряжения, падающего на дипольном слое,