1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение 5
Глава 1. Оптические регистрирующие среды на полупроводниковых структурах для записи и обработки изображений в современной технике. 30
1.1 Регистрирующие среды на MIS-структурах с толстым слоем диэлектрика на фоторефрактивных кристаллах 30
1.2 Регистрирующие среды на MIS структурах с жидким кристаллом в качестве диэлектрика 33
1.3. Регистрирующие среды на эффекте оптической бистабильности
в полупроводниковых структурах 38
1.4 Выводы 44
Глава 2. Быстрая запись изображений на зарядах свободных фотоносителей на М(1)8-структурах с наноразмерным слоем диэлекгрика (ТІ), (М(Т1)8-структурах) 45
2.1 Механизмы записи изображений на зарядах свободных фотоносителей в M(Tl)S-crpyKTypax. 46
2.2. Методика измерения пространственно- временного распределения напряженности электрического поля в M(TI)S(TI)M -структурах на электрооптических кристаллах (CdTe, GaAs) при освещении. 53
2.3 Установка для измерения пространственно-временного распределения напряженности электрического поля в кристалле М(Т1)5-структур при освещении. 54
2.4 Распределение напряженности элекгрического поля в M(TI)S(TI)M-CTpyKrypax на высокоомных “чистых” и “компенсированных” электрооптических кристаллах при освещении 56
2.5 Методика расчета фототоков в М(Т1)5(Т1)М-структурах при
3
известном распределении напряженности электрического поля в кристалле Е(х,0. 64
2.6 Выводы 66
Глава 3. Фотоэлектрические характеристики М(Т1)8(Т1)М)-структур на высокоомных кристаллах СсГГе. 70
3.1 Фотоэлектрические характеристики (М(Т1)8(Т1)М)- структур на высокоомных «чистых» кристаллах СсГГе с малой концентрацией примесных центров (ЭДсДО^см“3) 70
3.2 Фотоэлектрические характеристики (М(Т1)8(Т1)М)- структур на «компенсированных» кристаллах СсГГе с высокой концентрацией примесных центров (Н1>1015см‘3) 73
3.3 Определение механизмов протекания фототоков в (М(Т1)8(Т1)М)-структурах на «компенсированных» кристаллах СсГГе путем измерения термостимулированных токов (ТСТ) после дозированного освещения структур. 78
3.4. Выводы 84
Глава 4. Оптические регистрирующие среды на п-р(Т1)М-структурах (СсГГе) 87
4.1. Распределение напряженности электрического поля в п-р(Т1)М-
13
структурах на высокоомных ’’чистых” кристаллах СсГГе (N^10 см 3) при освещении. 87
4.2 Считывание записанных изображений в регистрирующих средах на п-р(Т1)М-струкгурах. 91
4.2.1 Расчет величины фототока от считывающего светового потока
при считывании изображений 93
4.2.2 Результаты экспериментов по считыванию записанных изображений в п-р(Т1)М-наноструктурах. 95
4.3. Выводы. 100
Глава 5 Фотонные ключи для цифровых оптических вычислителей 102
на п-р(Т1)М-структурах на электрооптических кристаллах (СсГГе, СаАэ)
5.1. Принципы работы фотонных ключей на п-р(Т1)М- структурах
5.2 Фотонные ключи на п-р(Т1)М-структурах на высокоомных ’’чистых“ кристаллах (СсГГе).
5.3 Фотонные ключи на п-р(Т1)М-структурах на
’’компенсированных’’ кристаллах СсГГе (N{>10 ст')
5.4 Фотонные ключи на п-р(Т1)М-структурах на
| <г «1
’’компенсированных’’ кристаллах ваАя (N{>10 сгп' )
5.5 Выводы
Глава 6. Фотодетекторы для записи изображений на п-р(Т1)М-структурах.
6.1 Фотодетекторы с оптически управляемой областью
фоточувствительности на п-р(Т1)М-структурах.
6.2 Фотодетекторы для измерения и сравнения сигналов
изображений
6.3 Оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света на п-р(Т1)М-структурах
6.4. Выводы Заключение Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
5
Оптические регистрирующие среды являются основой новых быстро развивающихся направлений науки и техники: оптоэлектроники, робототехники, оптической обработкой информации, систем технического зрения, систем искусственного интеллекта, оптических компьютеров, систем навигации и т.д.
Регистрирующая среда это твердотельное устройство, способное переносить оптическую информацию с одного светового потока на другой, усиливать изображения по яркости, преобразовывать их по спектру и когерентности, выполнять операции вычитания, дифференцирования и т. д. До последнего времени не получено- окончательного приемлемого решения этой проблемы. В связи с этим интенсивно проводятся исследования- физических принципов преобразования изображений в различных твердотельных структурах. От применения оптических методов ожидается качественный скачок в повышении производительности вычислительных средств. Особенностью оптических регистрирующих сред является возможность параллельного преобразования всего массива информации за время одного переключения.среды.
Оптические регистрирующие среды должны обладать: реверсивностью, т.е. возможностью стирания записанной ранее информации и записью новой информации, высоким пространственном разрешением, обеспечивающим формирование и преобразование наибольшего числа отдельно разрешимых каналов на единице площади, наличием памяти, т. е. способностью сохранять включенное состояние на время, необходимое для считывание всего массива записанной информации, высокой фоточувствительностью, высоким быстродействием, большой глубиной модуляции, обеспечивающей высокий контраст между оптическим нулем и единицей; отсутствием
усталости в течение времени эксплуатации, возможностью работы при комнатных температурах и др. [1-4]. Светоуправляемые оптические логические элементы на базе этих регистрирующих сред представляют собой устройства, в которых один световой поток или импульс непосредственно управляет параметрами другого’ светового потока без промежуточного преобразования в электрический сигнал и обратно. Разработка методов управления параметрами световых потоков непосредственно с помощью света позволяет реализовать новый класс приборов, предназначенный для полностью оптической обработки информации.
В настоящее время известны оптические регистрирующие среды на полупроводниковых структурах: функционирующие на двух различных принципах:
1) за счет перераспределения напряженности электрического поля под действием записывающего света в двухслойных структурах на электрооптических кристаллах (модуляторы света-на MIS-структурах типа ’’PROM” и модуляторы света на двухслойных структурах: фотопроводник-жидкий кристалл (ФП:ЖК) и структурах МДП-ЖК (MIS-LC) [3-14]),
2) за счет изменения характеристик, среды под действием записывающего света, например, коэффициентов его преломления или поглощения (эффект оптической бистабильности) [14-19].
Эти принципы функционирования регистрирующих сред используются в оптической обработке информации уже в течение нескольких десятков лет, при этом постоянно совершенствуются их параметры, увеличивается быстродействие светоуправляемых оптических приборов, реализуемых на их основе. В настоящее время быстродействие пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) на регистрирующих средах на структурах МДП-ЖК. достигает 102-103 циклов/с [6-14]. В то же время современной технике (системам
7
технического зрения, искусственного интеллекта, оптических компьютеров и т.д.) необходимы устройства для обработки изображений с быстродействием на несколько порядков выше (до 106 циклов/с).
Работы по совершенствованию параметров известных регистрирующих сред и разработке новых типов быстрых оптических регистрирующих сред интенсивно проводятся в мире. Для резкого увеличения быстродействия светоуправляемых оптических приборов необходимы быстрые оптические регистрирующие среды нового тина, работающие на принципах, отличных от используемых в настоящее время. Для их реализации необходимо:
a) разработать новые принципы быстрой оптической записи и считывания изображений с быстродействием до л/>106 циклов/с.
b) разработать конструкцию и технологию полупроводниковых структур для реализации регистрирующих сред, функционирующих на этих принципах
c) на базе реализованных быстрых регистрирующих сред разработать новые типы быстрых светоуправляемых приборов для волоконно оптических линий связи (ВОЛС), систем оптической обработки изображений. Этим проблемам и посвящена настоящая работа.
Постановка задачи
Целью данной работы является:
1) -разработка способов быстрой оптической записи и считывания изображений в полупроводниковых структурах в виде распределенной плотности зарядов свободных фотоносителей с быстродействием до 106 цикл/с)
2) разработка конструкции и технологии полупроводниковых структур для регистрирующих сред, записывающих изображения на зарядах свободных фотоносителей на основе М(Т1)8-структур с наноразмериым слоем диэлектрика (Т1), с быстродействием до 106 цикл/с ).
3. Разработка быстрых светоуправляемых приборов-для оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений на базе п-р(Т1)М-структур с быстродействием до 106 цикл/с):
a) фотонные ключи (оптический аналог МОП-транзистора), для цифровых оптических вычислений,
b) приборы для оптических аналоговых вычислений, обрабатывающие за один такт двумерные картинки (фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствитедьности)
c) быстрые оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света
Объекты и методы исследования.
1. Для создания оптических регистрирующих сред с быстродействием до Ю6 цикл ./с. использовались полупроводниковые М(Т1)8-структуры с наноразмериым слоем диэлектрика (Т1) на высокоомных кристаллах (СсГГе, ваАз). М(Т1)8(Т1)М-структуры изготавливались методом напыления и химического осаждения полупрозрачных металлических слоев на специально подготовленную поверхность кристаллов
(Сс1Те,СаАз), покрытую диэлектрическими слоями наноразмерной толщины (Т1).
2. Для выполнения комплекса исследований по изучению пространственно-временного распределения напряженности
электрического ноля в объеме кристаллов М(Т1)8-структур при освещении разработаны модификации электрооптической методики на поперечном эффекте Поккельса, а исследуемые М(Т1)8(Т1)М-структуры реализовывались на электрооптических кристаллах (СсГГе, ваАз)
3. Исследовались различные модификации М(Т1)8(Т1)М-структур:
a) М(Т1)8(Т1)М-структуры с Т1 -слоем естественного окисла,
b) М(Т1)8(Т1)М-структуры с варьируемой толщиной Т1-слоя,
c) М(Т1)8(Т1)М-структуры на ’’чистых” высокоомных кристаллах с концентрацией глубоких примесных уровней (ЭД<10'3ст'3) (СсГГе)
(1) М(Т1)8(Т1)М-структуры на ’’компенсированных” высокоомных кристаллах с концентрацией примесных уровней (N(>10 сш' ) (СсГГе,ОаАз)
е) структуры на кристаллах, содержащих р-п переход (п-р(Т1)М-структуры)
4. Исследовалось явления фотостимулированной обратимой перестройки апряженности электрического, поля в М(Т1)8-структурах различной модификации на электрооптических кристаллах (СсГГе, СаАз) при записи изображений (при протекании сквозных фототоков монополярной инжекции),
5. Разработаны механизмы считывания записанных изображений в п-р(Т1)М- структурах на зарядах свободных фотоносителей.
6. Разработаны светоуправляемые приборы для систем оптической обработки изображений и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на базе п-р(Т1)М-структур (СсГГе,СаАз) но технологии современной микроэлектроники.
10
Научная новизна работы
1. Изучено мало исследованное явление фотоиндуцированной пространственно-временной перестройки апряженности электрического поля в объеме кристаллов М(Т1)8(Т1)М и п-р(Т1)М-структур с наноразмерным слоем диэлектрика (ТІ), обусловленное зарядами фотоносителсй на различных модификациях структур:
a) на "чистых” высокоомных кристаллах (СсіТе) с малой концентрацией примесных уровней (N(<10 см' ).,
b) на "компенсированных” высокоомных кристаллах (СсІТе,ваАв) с
| с л
высокой концентрацией примесных уровней (N(>10 см )
c) на М(Т1)8(Т1)М и п-р(Т1)М- структурах с варьируемой толщиной ТІ-слоя.
2 Изучено воздействие перестройки напряженности электрического поля при освещении М(Т1)8(Т1)М и п-р(Т1)М-структур на их фотоэлектрические характеристики, показано:
-фотоэлектрические характеристики М(Т1)8(Т1)М-структур на
13
“чистых” кристаллах с малой концентрацией примесных центров: (N(<10 см*3)* (СбТе) полностью; определяются пространственно-временным распределением напряженности электрического поля в кристалле при освещении за счет зарядов свободных фотоносителей,
-фотоэлектрические характеристики М(Т1)8(Т1)М-структур на “компенсированных” кристаллах с высокой' концентрацией примесных уровней (Н>1015 см'3) (СсГГс.СаАэ) определяются как пространственно-временным распределением напряженности электрического поля за счет зарядов фотоносителей, так и появлением дополнительных инжекционных токов, за счет инжекции носителей в кристалл со стороны электрода, противоположного освещаемому.
3.Разработана оригинальная фотоэлектрическая методика обнаружения инжекционных токов в М(Т1)8(Т1)М и п-р(Т1)М-структурах на “компенсированных” кристаллах при освещении записывающим светом, основанная на измерении термостимулированных токов (ТСТ) в таких структурах после их дозированного освещения.
4. Предложены способы быстрой оптической записи и считывания изображений в полупроводниковых М(Т1)8(Т1)М и п-р(Т1)М-структурах в виде распределенной плотности зарядов фотоносителей в кристалле, вытекающих из структуры после выключения записывающего светового потока, что позволяет исключить из цикла перезаписи изображений (занись-считывание-стирание) операцию стирания, что увеличивает быстродействие структур до 106 цикл ./с.
Практическая значимость результатов работы.
1 .Разработаны оптические регистрирующие среды для записи изображений, функционирующие на зарядах свободных фотоносителей, на основе М(Т1)8-структур с тонким наноразмерным слоем диэлектрика (ТІ), с быстродействием до 106 цикл/с.
2. Реализованы регистрирующие среды на- п-р(Т1)М:структурах, обладающие повышенной глубиной модуляции светового потока при считывании изображений по сравнению с М(Т1)8(Т1)М-структурами. Такие п-р(Т1)М-структуры реализованы как на “чистых” кристаллах СсГГе с концентрацией примесных центров. (N,<10’3 см'3) с быстродействием до 106 цикл/с, так и на “компенсированных” кристаллах СсІТе, СаАэ с высоким содержанием примесных центров (М|>1015 см'3) в режимах обеспечивающих протекания в них инжекционных токов, с быстродействием до 104-105 цикл/с., исследованы их параметры.
12
3. Разработаны светоуправляемые приборы для волоконно оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений на базе п-р(Т1)М -структур:
a) фотонные ключи для цифровых оптических вычислений (Сс1Те,СаА8) (оптический аналог МОП-транзистора). Такие фотонные ключи реализованы на п-р(Т1)М -структурах как на “чистых” кристаллах СсіТе с (Н(<10,3см'3) с быстродействием до 10б цикл/с гак и некомпенсированных” кристаллах СбТе, ваАБ с высоким содержанием примесных центров (N(>10^ см'3) с быстродействием до 104-105 цикл/с.
b) фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствительности для оптических аналоговых вычислений, способные за один такт обрабатывать-двухмерные картинки (СбТе)
c) быстрые оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света для систем технического зрения (СбТе)
Основные положения, выносимые на защиту Научные положения, выносимые на защиту:
Положениеі.
. Освещение М(Т1)8(Т1)М-структур“‘ собственным” светом' (Ьу>Е8 ; Ьу-энергия кванта света, Ее-ширина запрещенной зоны кристалла) приводит к существенному перераспределению напряженности электрического поля в кристалле. При этом в результате накопления свободных носителей в кристалле электрическое поле смещается к темновому электроду и может увеличиваться близи него более, чем на порядок..
Положение2
Время установления стационарного электрического поля в М(Т1)8(Т1)М-структурах при освещении определяется временем установления сквозного фототока в структуре и не зависит от времени экспозиции.
ПоложениеЗ
- Київ+380960830922