CC BY
106
УДК 621.383.8
РАЗРАБОТКА ВАКУУМНЫХ ФОТОЭМИССИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ ДЛЯ ПРИЕМА МОДУЛИРОВАННЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой на-носистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Обсуждается возможность создания фотоэмиссионных приёмников модулированных оптических сигналов с терагерцовой полосой приёма, превосходящих по быстродействию, термической и радиационной стойкости полупроводниковые.
Ключевые слова: фотоэмиссия, вакуум, приемник излучения, радиационная стойкость, наноразмерный зазор, терагерцовая частота модуляции.
DEVELOPING OF VACUUM PHOTOEMISSION RECEIVER WITH INTEGRALL EXECUTION FOR BROADBAND SIGNALS RECEIVING
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
The possibility of creation photoemission detectors of modulated optical signals with terahertz receiving band is discussed. They surpass semiconductor detectors in quick-action, thermal and radiation resistance.
Key words: photoemission, vacuum, radiation detector, radiation resistance, nanoscale gap, terahertz modulation frequency.
Рассматривается вопрос создания широкополосных фотоэмиссионных приёмников оптических сигналов. Наиболее быстродействующими фотодетекторами, по имеющейся информации, являются гейгеровские кремниевые фотодиоды с лавинным принципом действия, например, фотодиоды фирмы Alphalas [1] из Германии с длительностью переднего фронта 15 пс и спектральным диапазоном (170-2600) нм, а также фотоэлектронные умножители с микроканаль-
ными пластинами (ФЭУ с МКП). ФЭУ с МКП могут, в принципе, обеспечить временное разрешение до 50 пс, но не для приёма частотно-модулированного оптического сигнала, а только при регистрации одиночных фотонов видимого света. Это же касается гейгеровских (лавинных) фотодиодов.
Существующие полупроводниковые приёмники модулированных периодическим сигналом излучений имеют граничную частоту быстродействия на уровне (1-20) ГГц, к ним относятся диоды на барьере Шоттки и р-1-п фотодиоды. Проблемой, ограничивающей их быстродействие, являются большие времена пролёта носителей и схемной релаксации. Фотодиоды р — г — п типа [2] в коаксиальном исполнении (корпус представляет собой часть коаксиального кабеля) имеют граничную частоту 20 ГГц.
В области лазерной оптической связи и в области детектирования излучений применяются широкополосные высокочувствительные фотоэмиссионные детекторы излучений видимого диапазона спектра типа отечественных импульсных фотоэлементов ФЭК-13, ФЭК-17КМ с полосой пропускания (7-12) ГГц (при рабочем напряжении 2 кВ) [3], известны широкополосные вакуумные фотоэлементы, в которых плоский фотокатод помещён в волновод СВЧ (полоса сигналов до 10 ГГц), фотоклистроны с полосой до (8-13) ГГц, фо-то-ЛБВ, являющиеся комбинацией фотоэлемента и лампы бегущей волны спирального типа. Приемники лазерного излучения, использующие в качестве детектора фото-ЛБВ, могут обеспечить прием сигналов, которые модулированы частотами сантиметрового и дециметрового диапазонов волн; используется принцип гетеродинного приёма, в составе устройства должен быть собственный лазер-гетеродин с высоко стабилизированной частотой излучения. Динамический ФЭУ со скрещёнными электрическим и магнитным полями обеспечивает умножение фотоэмиттированного потока электронов до 105 раз и полосу пропускания порядка гигагерц.
Фотоэмиссионные вакуумные приемники по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ. Так, их реакция на световой поток не зависит от изменения температуры чувствительного слоя детектора. Величина фото-ЭДС, как известно, определяется в основном работой выхода фотоэмиттера, которая не в такой степени зависит от температуры, как положения энергетических зон в полупроводниках, что и предопределяет температурную стабильность эмиссионных фотоприемников; инерционность фотоотклика в пределе определяется временем выхода фотовозбуждённого электрона на поверхность фотокатода и может достигать 10-12 с. Темновые токи эмиссионных фотоэлементов на несколько порядков величины меньше, чем у полупроводниковых, что приводит к соответствующему значительному улучшению обнаружитель-ной способности фотоэлементов.
Для условий использования в космических системах, подверженных воздействию жесткой радиации, полупроводниковые устройства, в связи с возможностью накопления индуцированных излучением электрических зарядов и
дефектов в активной зоне, существенно уступают эмиссионным, так как в последних активной средой является вакуум.
Однако, недостатком перечисленных выше широкополосных вакуумных фотоэмиссионных приёмников в сравнении с полупроводниковыми являются их значительные массогабариты и потребление. Работы по уменьшению последних, т.е. по созданию приборов вакуумной микроэлектроники, ведутся в течение нескольких последних десятилетий. Они направлены преимущественно на создание люминесцентных индикаторов, источников электронов, СВЧ-генераторов; первоначально это направление преследовало цель создания ЭВМ, способной работать в условиях повышенных уровней температуры и радиации. Отметим исследования в Стэнфордском институте, проводимые Спиндтом, Шоулдерсом и сотр., 1967-1970 гг., США [4,5], которые основывались на использовании термо- и автоэмиссии электронов в вакууме; в работах Спиндта были продемонстрированы автоэлектронные микротриоды с пролётными промежутками менее микрона. В 1970 годы по данному направлению также проводились и отечественные исследования [6-8]. Однако, в рассматриваемых работах не решалась задача создания широкополосных фотоэлементов - демодуляторов оптических сигналов.
В настоящей работе исследуется возможность использования особенностей вакуумных микроприборов при создании фотоприёмных широкополосных устройств, эксплуатируемых в жёстких условиях окружающей среды - при повышенных температурах и уровнях радиации.
Существенным отличием проводимых нами исследований от упомянутых выше является изучение возможности добиться пикосекундных или даже более коротких пролётных межэлектродных промежутков времени при использовании эффектов прохождения электронных потоков в плоско-щелевых вакуумных зазорах со сверхмалыми расстояниями между поверхностями электродов, обеспечивающих, в отличие от автоэлектронных микроустройств, прохождение ши-рокоапертурных потоков фотоэлектронов. Второе отличие заключается в изучении условий получения эквидистантных наноразмерных зазоров между достаточно протяжёнными поверхностями - площадью до единиц см2 (а не доли
Л
мкм , как в известных устройствах). Наноразмерные зазоры между поверхностями такой величины необходимы в оптических приборах с большой апертурой и большой светосилой.
Решение указанной задачи в мировой практике, ввиду её большой сложности, неизвестно; публикации об аналогичных исследованиях также не известны. Наши исследования базируются на найденных оригинальных решениях [9], создаваемые технологии и конструкции не имеют зарубежных и отечественных аналогов.
При величине вакуумного промежутка между анодом и катодом фотоэлемента в диапазоне «десятки - сотни» нанометров движение электронных потоков определяется, в значительной мере, электрическим полем контактной разности потенциалов электродов, при этом снижается тормозящее влияние собственного пространственного заряда электронного облака, а это уменьшает внут-
реннее электрическое сопротивление фотоэлемента. Время межэлектродного пролёта электронов в вакууме сквозь промежуток величиной (10-100) нм и при обычных для интегральных полупроводниковых схем электрических потенциалах электродов имеет значение 5-10 14 - 5-10 13 с, то есть, на нижнем пределе близко к периоду колебаний световой волны инфракрасного лазера, на верхнем - к периоду колебаний волны терагерцового лазера с длиной волны 100 мкм. В лабораторных условиях нам удалось получить эквидистантные зазоры величиной 100 нм между поверхностями монолитных электродов диаметром 10 мм, перекрывающими размеры необходимых оптических апертур.
Принципы функционирования терагерцовых фотоэмиссионных приборов иллюстрируются на рис. 1, 2. На рис. 1 представлена схема устройства торцевого фотоэлемента с коаксиальным выводом сигнала, как в отечественных приборах серии ФЭК; отличием является использованиемежду поверхностями фотокатода и анода сверхмалого вакуумного промежутка с размерами в диапазоне (0,11,0) мкм. Фотоэлемент может выполнять функции широкополосного демодулятора оптического сигнала с шириной полосы частот модуляции!О11 -1013 Гц.
В рассматриваемых приборах фотокатод работает в условиях отсутствия ограничения тока пространственным зарядом. Инерционность фотоэлемента определяется инерционностью фотостимулированной эмиссии электронов
(примерно 10"12 с для эмиссии из металлов), временем тп =2^^^Е пролёта
электронов от фотокатода до анода (ё - величина пролётного промежутка, е и т - заряд и масса электрона, Е - напряжённость электрического поля в пролётном промежутке) и постоянной времени тс = ЯС диода, где Я - волновое сопротивление коаксиальной линии (обычно 50 Ом), С - межэлектродная ёмкость, основной составляющей которой является емкость в области нанораз-мерного зазора. По оценкам, при межэлектродной разности потенциалов 10 В, время хп = 0,5-1,6 -10 12 с при значениях вакуумного промежутка между по-
верхностями фотокатода и анода (0,1-1,0) мкм. Чтобы обеспечить частоту10
11
Гц для модуляции оптического сигнала, необходимая инерционность фотоэлемента достигается при межэлектродном зазоре 1 мкм, поперечнике плоских электродов фотоэлемента 100 мкм; для частоты 1012 Гц требуется, соответственно, 0,1 мкм и поперечник 10 мкм. Вставка трансформатора сопротивлений в виде четвертьволнового отрезка коаксиальной линии между фотоэлементом и коаксиальной выходной линией, обеспечивающего согласование емкостной межэлектродной нагрузки с выходной линией, позволит увеличить поперечники электродов, то есть светосилу входной апертуры фотоэлемента, по крайней мере, на один - два порядка величины.
Чувствительность торцевых терагерцовых фотоэлементов определяется внешним квантовым выходом электронов из металла и может соответствовать значениям чувствительности для серийных фотоэлементов (у которых гораздо меньше полоса детектируемых сигналов - 1-5 -108Гц). Например, фотоэлемент Ф-25: X = 750 нм, чувствительность 16 мА/Вт; Ф-23: X = 1100 нм, чувствительность 0,15 мА/В). Чувствительность эмиссионных фотоэлементов существенно меньше, чем у полупроводниковых фотодиодов - у кремниевых на Х = 1000 нм чувствительность 200 мА/Вт, на X =1100 нм чувствительность
50 мА/Вт, однако, темновые токи у фотоэлементов (10~14-10~13 А), определяющие обнаружительную способность фотоприёмных устройств, меньше, чем у полупроводниковых: быстродействующий ФД-256 имеет темновой ток при комнатной температуре 5-10 9 А, т.е. больше на 4 - 5 порядков, чем у эмиссионных; при увеличении температуры окружающей среды темновые токи полупроводниковых резко увеличиваются.
Таким образом, рассматриваемые торцевые фотоэлементы потенциально превосходят полупроводниковые устройства по способности обнаруживать широкополосные оптические сигналы на порядки величины, при этом имеют близкие к полупроводниковым массогабаритные характеристики и потребление.
Далее обсуждаются перспективы реализации в фотоэмиссионных приборах с наноразмерными пролётными промежутками преимуществ распределённых электродных систем.
На рис. 2 представлена схема устройства вакуумного фотоэлемента с распределённой электродной системой, позволяющей на порядки величины увеличить чувствительность за счёт использования продолжительного волнового взаимодействия электронов с полем волны модуляции интенсивности оптического потока. Полупрозрачный фотокатод и противостоящий анод выполняются в виде полосковой волноводной терагерцовой линии с бегущей электромагнитной волной на частоте модуляции оптического входного потока. При выполнении условия синхронизма - равенства фазовой скорости волны в этой линии и скорости перемещения фронта волны засветки, обозначенной пунктиром, по поверхности фотокатода, бегущая волна усиливается и затем переходит в выходную полосковую линию. Усиление пропорционально отношению времени волнового взаимодействия к периоду модуляции светового потока
К = 1 / Тм =1 • /м, где t - время волнового взаимодействия, /м - частота модуляции; усиление может достигать десятков - сотен раз.
Световой модулированный по интенсивности поток с плоским фронтом световой волны входит нормально в катетную грань прозрачной призмы, на ги-потенузной грани которой нанесена плёнка полупрозрачного фотоэмиттера. Фазовая скорость перемещения края фронта волны вдоль поверхности гипоте-
с
нузнои грани уф =-, где с - скорость света в вакууме, п - показатель пре-
исоБа
ломления призмы, а - угол между поверхностью гипотенузной грани и оптической осью; волноводная структура анода расположена параллельно катоду с зазором величиной (0,1-1,0) мкм, фазовая скорость электромагнитной волны вволноводной структуре на аноде равная = с1пэфф, где пэфф - эффективный
показатель преломления среды, в которой находится проводящая полоска волновода, являющаяся коллектором фотоэлектронов - анодом фотоэлемента.
Анод
Усилитель
Рис. 2. Схема устройства терагерцового вакуумного фотоэлемента с распределённой системой электродов и волновым взаимодействием электронного потока с полем световой волны
Полоска нанесена на слой диэлектрика на поверхности призмоподобного металлического блока, являющегося частью корпуса фотоэлемента; со стороны катода полоска граничит с вакуумом и подключена к источнику положительного «тянущего» постоянного электрического поля с напряжением порядка нескольких вольт. Плотность потока фотоэлектронов вдоль полоски катода при прохождении модулированного светового потока также модулирована; при синусоидальной модуляции интенсивности света распределение фотоэлектронов вдоль анода можно представить как периодическую синусоидальную решетку, перемещающуюся вдоль поверхности катода со скоростью уф, причем электроны движутся перпендикулярно плоскости решетки.
При попадании фотоэлектронов данной области периодической картины на анод, потенциал поверхности анода локально меняется на более отрицательный, данное возбуждение распространяется по волноводу в двух противопо-
ложных направлениях с фазовой скоростью полоскового волновода. С одной из сторон к волноводу подключен нагрузочный резистор ^ с сопротивлением,
равным волновому сопротивлению волновода, поэтому в волноводе создаётся режим бегущих волн, и электромагнитная волна, идущая к другому концу волновода, усиливается. На нижней по рисунку стороне металлического блока расположен полосковый волновод вывода сигнала из распределённой электродной системы.
Для обеспечения синхронизма необходимо для прозрачной призмы использовать материалы с большим значением показателя преломления, близким к двум или более.
Расчётные параметры фотоэмиссионных приёмников с плоско-щелевыми пролётными промежутками:
- граничная частота модуляции оптического входного сигнала: 0,1 - 1,0
ТГц;
- спектральные диапазоны: солнечно-слепой; видимый; ближний ИК;
- напряжение питания: 5 - 15 В;
- спектральная чувствительность при X =750 нм: 10-100 мА/Вт. Сравнение параметров серийных и разрабатываемого быстродействующих
фотоприёмников оптических модулированных сигналов приведено в табл.
Таблица
Параметры современных и разрабатываемого быстродействующих фотоприёмников оптических модулированных сигналов
Тип фотоприёмника Спектральный диапазон длин волн, мкм Полоса частот модуляции, ТГц Потребляемая мощность Исполнение Радиационная стойкость
импульсные фотоэлементы ФЭК-13, ФЭК-17КМ Видимый 0,007 -0,015 Напряжение питания 2 кВ в стеклянной-колбе, коаксиальный выход высокая
Фото-ЛБВ Видимый 0,0100,015 высокая в стеклокера-мической колбе высокая
р-г-п фотодиоды Фирма Hamamatsu, 25 Gbps PINROSA 1,3 и 1,55 0,025 низкая оптиковолоконный ввод оптиче-скогосигнала типичная для полупроводниковых приборов, невысокая
р-г-п фотодиод на InGaAs ДФДМШ40-16 1,3 и 1,55 0,016 низкая оптиковолоконный ввод оптиче-скогосигнала типичная для полупроводниковых приборов, невысокая
Фотоэмиссионные с плоскощелевыми промежутками Солнечно-слепой, видимый и ближний ИК 0,1 - 1,0 низкая интегральное в виде чипа микросхемы высокая
Из табл. 1 следует, что ожидаемые параметры разрабатываемых фотоэмиссионных приборов (последняя строка таблицы) существенно выше параметров известных приборов аналогичного назначения.
Таким образом, показана возможность создания фотоэмиссионных приёмников с параметрами быстродействия, термической и радиационной устойчивости, превосходящими параметры полупроводниковых фотоприёмников, техническая новизна изобретения подтверждена [10].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Alphalas. Проспект.
2. Hamamatsu. Проспект 25 Gbps PINROSA.
3. Справочник по лазерам. Т. 2 / Под ред. акад. А. М. Прохорова. - М.: Сов. радио. -1978. - 400 с.
4. Spindt C. A., Shoulders R. K. 8 Conf. on Tube Techniques, 1967.
5. Spindt C. A. IEEE Conf. Rec. Conf. Electron Device Techn. - New-York City, 1973.
6. Чесноков В. В. Электронные лампы с автоэлектронными катодами // Электрон. техн. Сер. 5. - 1968. - Вып. 4 (12). - С. 3-11.
7. Чесноков В. В. О возможности существования стабильного высоковакуумного разряда в малых зазорах между металлическими электродами // Письма в ЖТФ. - 1975. - Т. 1., Вып. 3. - С. 152-155.
8. Автоэлектронные микрокатоды в приборах микроэлектроники / В. В. Чесно-ков и др. // Изв. АН СССР. Сер. Физика. - 1976. - Т. 40, № 8. - С. 1585-1588.
9. Пат. 2485558 РФ, G02B 5/28. Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин. - № 2012102627/28; за-явл. 25.01.2012; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
10. Заявка 2014100144 РФ. Способ изготовления детекторов терагерцового диапазона / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. В. Кочкарев, М. В. Кузнецов. - № 2014100144; заявл. 09.01.2014. (Решение о выдаче патента 2014.12.22).
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, 2015
