Нестационарная фотоЭДС на динамических решетках в полуизолирующих полупроводниковых кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Р Г Б ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ] 2 <Щ$А1ШШНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ииени А.О.ИОФФЕ

На правах рукописи

КОРНЕЕВ Николай Александрович

УДК 535Л:535.21

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ФОТОЭДС НА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕШЕТКАХ В ПОЛУИЗОЛИРУЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в.Ордена Ленина физико-технической институте цм. А.Ф.Иоффе РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук С.И.Степанов

доктор физико-математических наук В.В.Брыксин доктор физико-математических наук Н.М.Кожевников

Институт физики АН Украины

Защита состоится X/? часов на заседании специализированного совета К 003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194 021, г. Санкт-Г^тербург, K-2I, Политехническая ул., дом 26. ®

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-

технического института имени А.Ф.Иоффе РАН.

1 — ?

Автореферат разослан "J0" I99f г.

Ученый секретарь специализированного совета К 003.23.02

кандидат физико-математических наук С.И.Бахолдин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Акт£альносгь_тема^ Процесса формирования решеток пространственного заряда в фотопроводниках и, в частности, в фотореф-рактивных кристаллах (ФРК) • привлекают в настоящее время значительное внимание. С одной стороны, исследование этих процессов позволяет определять фотоэлектрические параметры материалов, с другой стороны, оно важно для понимания особенностей голографи-ческой записи в них [I]. Нестационарная фотоЭДО первоначально наблюдалась как электрический ток во внешней цепи возникающий в процессе записи голограмм в ФРК группы силленитов (ВЦ ^с^ в, В1 ^тю^) [2,3]. В ходе этих исследований обнаружилось, что фотоЗДС представляет значительный самостоятельный интерес. Во-первых, о ее помощью можно определить такие параметры, как знак фотоносителэй, их дайузионные длины, времена кизни, концентрации примесных центров. Во - вторых, она может использоваться для измерения движений сватовых картин, в частности, для измерения фазовой модуляция световых пучков. При этом благодаря формированию внутри фотопроводника пространственного заряда копирующего распределение интенсивности света, оказывается возможным скомпенсировать при детектировании неправильности волновых фронтов и медленные их искажения, т.е. работающий на таком принципе фото-прибмник обладает свойством адаптивности [4].

Фоторэфрактивные полупроводники, которые активно исследуются в последнее время, это материалы, чувствительные ( в отличие от ФРК группы сшшенитов) к свету в ближнем ИК диапазоне. Они демонстрируют рекордную чувствительность к голографической затеи. В них были обнаружены новые механизмы образования решетки заряда и получены высокие коэффициенты двухволнового усиления. Первые исследования нестационарной фотоЭДС в фоторефрак'тивном полупроводнике с&Ав [6,6] показали его высокую эффективность для детектирования фазомодулированных сигналов [7]. Кроме того, выяснилось что фотоЭДО в этом материале обладает рядом интересных особенностей связанных с биполярной фотопроводимостью и сильным поглощением в видимой области спектра.

Цель работы. Основной целью данной работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование особенностей нестаци-

онарной фотоЭДС в полупроводниковых кристаллах ваАз, сатв, саз»,' а также адаптивных фотоприемников на их основе.

1.В случае сильного собственного поглощения либо поглощения в тонкой пленке, максимальная величина сигнала фотоЭДС и его зависимость от пространственной частоты решетки остаются примерно такими же, как и в случае слабого поглощения. Для тонкой пленки за счет появления приповерхностного заряда происходит' замедление построения решетки электрического поля приводящее к уменьшению характерной частоты среза по сравнении с объемным случаем.

2.Наличие темновой проводимости шш нелинейной рекомбинации в случае биполярного фотопроводника может приводить к качественно иной, чем для монополярного фотопроводника, зависимости сигнала фотоЭДС от внешнего поля.

3.Зависимость сигнала фотоЭДС возбуждаемого колеблющейся спекл- картиной от амплитуда колебаний определяется, параметрами автокорреляционной функции спекл- картины. Величина атого сигнала сравнима с сигналом, возбуждаемым колебаниями интерференционных полос с пространственным периодом порядка диаметра спекла.

Научная_новизна работы состоит в том, что в ней впервые :

1. Проведено подробное теоретическое исследование нестационарной фотоЭДС в характерных для полуизолирувдих полупроводниковых кристаллах случаях сильного поглощения света и биполярной проводимости при слабом поглощении, а также рассмотрен случай тонкой пленки.

2. Экспериментально обнаружена и исследована нестационарная фотоЭДС в полупроводниковых кристаллах сатв и саве, и фотореф-рактишше свойства саэа.

3.Теоретически и экспериментально ( на примере ваАв) исследовано взаимодействие колеблющейся спекл-картины с адаптивным фотоприемником основанным на аффекте нестационарной фотоЭДС.

Практическая_ценность работа состоит в том, что в ней :

I.Показано, что сильное поглощение света не приводит к значительному ухудшению параметров сигнала фотоЭДС, что позволяет использовать тонкие образцы и пленки полупроводниковых материалов вместо массивных образцов в качестве адаптивных фото-

приемников.

2.Продемонстрирована возможность измерения в реальном времени как нормальных, так и касательных компонент колебаний диф-фузно рассеивающих поверхностей в субмикронном и микронном диапазоне путем регистрации колебаний спекл-картины с помощью адаптивного фотоприемника на основе полуизолирующего арсенкда галлия.

Публикации.Основание результаты диссертационной работы изложены в 7 научных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсувдались на: Конференции по лазерам и электрооптике (США, Балтимора, 1993 г.), Международной конференции по фотореф-рактивным материалам, эффектами приборам (Минск,1993 г.), 4 Латиноамериканской конференции по оптике, лазерам и приложениям (Мексика, Оастепек 1993), 26 Национальной конференции по физике Мексиканского Физического общества (Мексика, Акапулько 1993); на семинарах отдела Квантовой Электроники ФТИ РАН им. А.Ф.Иоффе, Университета Юкной Калифорнии .(США), Национального Института Астрофизики Оптики и Электроники (Мексика), Исследовательского центра фирмы Хьюз (США).

Структурой__объем__работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения-, содержит 37 рисунков, одну таблицу, библиографию из из наименований. Полный объем дисертащш 123 страница.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение содержит обоснование актуальности проведенных в диссертационной работе исследований. В нем сформулирована цель работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены защищаемые положения.

В первой главе диссертации приведен обзор литературы по процессам формирования решеток пространственного заряда з фотопроводниках и нестационарной фотоЭДС. Особое внимание уделено исследованиям фэ торефрактивных полупроводников. Кратко охарактеризованы спекл-методы исследования перемещений диффузно рас-оеивающих поверхностей. Описаны типичные методики измерения нестационарной фотоЭДС и используемое для этого экспериментальное

оборудование.

Сущность эффекта нестационарной фотоЭДС заключается в возникновении знакопеременного тока через фотопроводящий образец

зеркало

Рис.1

при его освещении колеблющимся распределением интенсивности света (например, интерференционными полосами или спакл- картавой). Ток возникает в результате взаимодействия относительно стабильного электрического поля пространственного заряда захваченного на глубоких ловушечных уровнях в запрещенной зона и кодебляце-гося распределения фотоносителей. Типичная экспериментальная схема для наблюдения фотоВДО приведена на рис.1. Оптическая часть состоит из интерферометра типа Ыайкельоона о одним колеб-ледимся зеркалом, создающим фазовую модуляцию. Другое зеркало можно вращать, изменяя угол между пучками.которые сводятся линзой в объеме кристалла независимо от угла поворота. Возникающий в кристалле ток усиливается и детектируется.

Если амплитуда фазовой модуляции д<< I, то для простейшей модели кристалла с одним примесным уровнем в электронным^ типом фотопроводимости зависимость сигнала фотоЭДС о; прострзнотазнной частоты к интерференционной картины в частоты колебаний а дается следующим выражением [33:

/. „а А о -1ш/и

Л-А--~—Е-5--(!)

2 • 1+1«/«*

где з*- 'первая.временная гармоника плотности сквозного перемен-

б

ного тока через закороченный образец, а - средняя фотопроводи мость образца, Е>- к ^Т/в - т.н. диффузионное поле ( к> - постоянная Больцмана, т - температура, е диффузионная длина I.'

К* Ь|Т/в

заряд электрона), Ls -характерная частота среза, прямо пропорциональная проводимости образца : ш = ы^/ (1+ k'lJ), (о>и= <г/се - характерная частота равная обратному времени максвелловской релаксации), m - контраст интерференционной картины.

Вторая_глава содержит оригинальную часть работы связанную с подробным теоретическим исследованием особенностей динамики записи решетки заряда и нестационарной фотоЭДС для кристаллов с биполярной фотопроводимостью храктерной для полупроводников. Рассматриваются не исследовавшиеся ранее случаи нелинейной генерации или рекомбинаци носителей и высокой темновой проводимости. В атой главе также приводятся экспериментальные результаты по измерению нестационарной фотоЭДС в не исследовавшихся ранее материалах CdTe и CdSe и первое наблюдение фоторефракции в case.

В п.2 описывается первое наблюдение фоторефракции и нестационарной фотоЭДС в полупроводнике CdSe. Этот материал характеризуется высокой чувствительностью в ближнем ИК диапазоне измеренная частота среза частотной зависимости нестационарной

амплитуда сигнала (отн.ед.)

- двупопн. уЬялею» ( ом )

0.06

0.04

0.02

0.00

-й-'-

простр. частоте ( ыхм

0.1 1 частота (кГц)

РИС.2. РИС.3.

фотоЭДС для интенсивности света 0.05 мВт/мм* <*.=!.06 мкм) составляла 6 кГц. -Из измерений знака и зависимости нестационарной фотоЭДС от пространственной частоты определен тип проводимости

0.1

(электронный) и оценена диффузионная длина носителей (2.6 мкм). На рис. 2 показано фоторефрактивное двухволновое усиление 1 как функция пространственной- частоты для двух поляризаций. Из этой заисимости оценена концентрация примесных уровней (3>101' см"').

В п.З. приведены результаты экспериментов по измерению нестационарной фотоЭДС в кристаллах СаАа и сате на длинах волн ближнего ИК диапазона (840 - 900, 1064 нм). Эксперименты показали. всокуи эффективность этих кристаллов как адаптивных фотоприемников в этом диапазоне длин волн. На рио.З показана частотная передаточная характеристика кристалла теллурида кадмия для длины волны 0.85 мкм и двух интенсивностей света О-0.3 и а -ОЛб мВт/мм1.

В п.4. этой главы приводятся подробные расчеты зависимостей фотоЭДО от частоты о, периода решетка и внешнего электрического поля для кристалла с биполярной проводимостью. Для вывода этих формул, в отличие от традиционного подхода, нэ фиксируется определенная модель примесных уровней, в фотопроводимость в приближении малого контраста т<<1 описывается несколькими парьаатрали, входящими в конечные выражения ꧧ коэффициенты. При этом ранее полученные зависимости [3,5] получаиРся как частные случаи при определенных соотношениях между этими параметрами. Для нелинейной генерации / рекомбинации или при наличии темновой проводимости, сравнимой по величине о фотопроводимость», оказываются возможными новые типы зависимостей от внешнего поля и от чаототы в сильном внешнем поле. В частности, при примерном равенстве скоростей генерации электронов в дарок возможно исчезновение резонансного пика в частотной зависимости фотоЭДС в сильном электрическом поле. Наличие этого пика в обычном случае связано с резонансным усилением "бегущей" компоненты решетки заряда [8]. Так как для электронного и дырочного типов проводимости резонанс амплитуды решетки электрического поля достигается для разных направлений движения, при наличии проводимости обоих типов, он может оказаться на нулевой частоте, что соответствует усилэнию стационарной решетки [9]. Условием этого служит разный аффективный контраст распределений фотоэлектронов и фотодырок. В атом случае частотная зависимость фотоЭДС оказывается такой же как и без енэщного поля. На рис.4 резонансный пик отсутствует для кривой I; небольшие изменения в скорости генерации для одного из

'. носителей приводят к его появлению ( кривые 2 и 3).

Другая особенность состоит в том, что в зависимости от внешнего поля знак сигнала при больших полях мокет быть противоположным обычному. На рис.5 приведено семейство зависимостей сигнала от внешнего шля. Кривая 4 соответствует обычной, зависимости для одного типа носителей, в ней наблюдается переход через О [3]. Для кривых I и 2 благодаря влиянию второго носителя такого перехода кет. Отметим что при этом зависимости от к слабо отличаются по форме одна от другой.

Зависимости, качественно сходные с кривой I Рис.5, наблюдались В ряде образцов ПОЛуИЗОЛИруЩеГО СёТе И СаАэ.

. . • ' Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию нестационарной фатоЗДС в случае сильного поглощения. Одномерная модель,, рассмотренная в [3] справедлива когда диффузионная длина \ к период решетки л = 2я/к значительно меньше толщина образца и длины поглощения света 1/а. Это требование заведомо на выполнено при.собственном поглощении либо для тонких пленок. Например, в полуизолирущем ВаАз характерная длина поглощения может составлять 0.1 - I мкм, период решетки - I - 100 мкм, а диффузионная длина I- 10 мкм, а пленки аморфного кремния имеют толщину порядка I мкм. При теоретическом рассмотрении этих случаев задача становится двумерной, что значительно -осложняет расчета. Поэтому нами были рассмотрены точно решаемые

ток нест. фотоЭДС

0.5 ___

частота

~ь50 1^5 Й зЪ Й 50

электрическое поле

Рис.4

Рис.Б

модельные ситуации, позволяющие оценить влияние ограниченных размеров среды и сильного поглощения.

В пл.2 и 3 этой главы нестационарная фотоЭДО рассчитывается для слоя фотопроводника конечной толщины а в случае если поглощение достаточно слабое, либо слой достаточно тонкий, так что интенсивность света вдоль координаты 2 ( по глубине) можно считать постоянной. Цель этого расчета - определить влияние малой толщины слоя. При этом используется стандартная модель фотореф-рактивного кристалла с монополярной проводимостью и одним примесным уровнем в. запрещенной зоне £1]. Для малого контрасте интерференционной картины задача точно решается и для полного тока через сечение образца единичной высоты Лц получаем:

л? = а ¡» а

(2)

где л "дается формулой (I), а безразмерный множитель б

в = 1 +

СаЬ(Ка/2)

ЕЙ/2 в

(3)

о 06

где

с = [оЬ(да/2)

квьска/г) 1

к Т/е

Н>/ь> (1+К11! ) + 1

14»/и оК(К<1/2)

1«/ы +1

1«/<|М-1

+ с аЬ(Ка/2)] *

(4)

= ( 1 + кЧ*-

1/«

1ь> /и ) / I

Анализ этих выражений показывает, что приближенно плотность тока нестационарной фотоЭДС описывается формулой (I) для массивного образца, в которой, однако, частоту среза и надо заме-

нить на

= Ц) /(1 ♦ '

еК(1/2

(б)

О

+

зависящую от толщины пленки <3. Приближенное и точное решения совпадают как в пределе о-«», так и в пределе ь>-»0. Разница между приближенным и точным решениями мала для тонкой пленки (ка << 1) и для толстого образца ( ка >> 1 ). Наибольшее рассогласование невелико и наблюдается в промежуточном случае когда период решетки л примерно равен толщине кристалла. Оно при рассмотренном типичном соотношении кьо=1 не превышает 4% .

Причиной совпадения плотностей тока для высокой частоты и в пленке и в объемном образце является равенство электрических полей пространственного заряда, образующегося при освещении среды неподвижной интерференционной картиной для пленки и массивного образца. Это равенство, в свою очередь, является следствием условия взаимной компенсации диффузионного и дрейфового токов в стационарном состоянии.

В тонкой пленке обеспечение такого же электрического толя, как и в объемном образце требует образования наряду с объемным дополнительного поверхностного заряда. Его относительная роль оказывается тем больше, чем меньше толщина пленки. При колебаниях интерференционной картины необходимость перезарядки не только объема, но и поверхности, приводит к замедлению перестроения решетки электрического поля, что и проявляется в уменьшении характерной частоты среза, даваемой выражением (5). Процесс построения поверхостного звряда иллюстрируется рис.6. На нем схематически показаны линии тока электронов в тонной пленке освещенной начиная о момента времени г неподвижной интерференционной картиной. В первый момент времени электроны диффундируют в темные области (рио.А). Однако когда в этих областях скопится пространственный заряд, возникает поперечная компонента электрического поля, которая подталкивает электроны к поверхности (рис.Б). В конечной стадии присутствует как объемный, так и поверхностный ааряд, и ток в пленке равен нулю.

В пп.4. и Б. рассматривавтся случай сильного собственного поглощения а выводится зависимость нестационарной фэтоЭДС от пространственной частоты к для высоких частот о. Предполагается, что электроны возбуадатоя светом непосредственно из валентной зоны, но носители рекомбинируют только через глубокий примесный уровень. Подобные модели используются для описания фотопроводи-

МОСТИ В полуизолирующм СаАе [10]. Ч; . ' "

Расчеты показывают, что в случае доминирования одного из носителей в фотопро водимости. зависимость нестационарной фотоЭДС от к при больших о, как и для тонкой пленки, хорошо описыватся соответствующим пределом ( ) выражения (I). ( В этом случав под плотностью тока и фзтоповодимостыо надо понимать соответствующие параметры, усредненные по толвдше образца). Причиной этого, как и в случае тонкой пленки, является совпадение величины продольной компоненты электрического поля пространственного заряда в стационарном состоянии с полем в объемном ( одномерном) случае. В одномерном случае поле в стационарном состоянии зависит только от контраста интерференционной картины,'но не от ее интенсивности - последняя определяет " лишь время формирования решетки заряда. Аналогичным образом, в случае сильного поглощения поле оказывается слабо зависящим в интересующей нас области с высокой концентрацией носителей от глубины ъ.

0,1 0.2 0,3 0.4 . 0.5 0.6 пространственная частота (тем

Рис.6 Рис.7.

Рассмотрение пп. 2 - 5 не учитывает ряда факторов, которые в принципе могут оказывать существенное влияние.- насыщение лову-.шек, нелинейную генерацию - рекомбинацию, поверхностную рекомбинацию. Тем не менее, теоретический анализ позволяет сделать вывод о том,.что в ряде случаев величина нестационарной фотоЭДС и ьъ зависимость от'пространственной частоты может оставаться такой »а как в случае примесного, так и в случае собственного поглощения . Необходимым условием зтого является домшвфование в обоих случаях одного и того же типа носителей. Этот вывод имеет

большое значение для разработки эффективного адаптивного фото приемника. Чтобы проверить его, мы исследовали сигнал нестационарной фотоЭДС для различных длин волн в одном и том же образце полуизолирующего арсенида галлия допированного хромом.

Результаты экспериметов изложены в п.6. На рис.?. приведены зависимости сигнала фотоЭДС от пространственной частоты для длины волны Nd-.YAG лазера 1064 нм соответствующей примесному поглощению и для длины волны гелий - неонового лазера бЗЗнм, соответствующей собственному поглощению с I/a а о.З мкм. Обе зависимости сняты при одинаковых контрастах и амплитудах фазовой модуляции на частоте а = 17 кГц, значительно превышающей частоту среза в обоих случаях. Интенсивности подобраны таким образом, чтобы обеспечить одинаковую фотопроводимость для двух длин волн (на 1064 нм интенсивность была примерно на порядок выше, чем на бЗЗнм).

В обоих случаях знак нестационарной фотоЭДС определялся дарками. Зависимости имеют характерный вид, описываемый формулой (I) при о 'максимумом, отвечающим пространственной частоте Ц1. Для х=633 i»t= 6.2 мкм, для х=1064 нм - 5.2 мкм. Аналогичные кривые были получены и в промежуточном алучае для длин волн перестраиваемого титан- сапфирового лазера 840-900 нм, где сигнал также определялся дарками и для л « 880 нм диффузионная длина = составляла 6Л мкм.

Отметим, что экспериментально измеренная величина фотоЭДС была в 3-5 раз мньше, чем даваемая формулой (I). Частично это связано о сублинейной зависимостью фотопроводимости от интенсивности, приводящей к падению эффективного контраста т. Кроме того, само наличие сублинейной фотопроводимости свидетельствует о недостаточности простейшей модели, которая использовалась для расчетов. Тем не менее, сходство обоих кривых несомненно и подтверждает вывод об аналогичности зависимостей для слабого и сильного поглощения.

Четвертая_глава диссертационной работы посвящена применению адаптивного фотоприемника на эффекте нестационарной фотоЭДС для исследования колебаний-опекл- картин. Известно, что спекл- картина, порождаемая диффузно рассеивающей поверхностью, несет информацию о ее перемещениях-в пространстве. Различные виды спекл-интерферометрии широко используются в исследованиях упругости,

деформаций, штоков и т.п. [II]. В этой главе показано, что при меняя адаптивный фотоприемник можно с помощью простого оборудования измерять колебания с амплитудой на 3 - 4 порядка меньшей, чем диаметр спекла.

В ИЛ описывается принцип детектирования, который аналогичен адаптивному детектированию колебаний интерференционной картины. Кристалл освещается колеблющейся картиной спеклов, и детектируется возникающий при этом переменный электрический ток. Частотные и амплитудные зависимости выходного сигнала имеют качественно сходный вид для фотоЭДС возбуждаемой спекл- картиной и для динамической самодифракции спеклов на записанном ими распределении показателя преломления.

В п.2. рассматривается самодифракция и приводятся результаты расчетов зависимостей сигнала на фотопримнике в дальней зоне от его положения и амплитуды колебаний спекл- картины в ФРК. Для того, чтобы в результате самодифракции изменение ин-тенсивностей было максимальным, необходимо, чтобы решетка показателя преломления была несмещенной, т.е. чтобы голограмма записывалась с приложением внешнего поля Ев.

Точную форму зависимостей сигнала от амплитуды колебаний для произвольного положния фотодетектора монно рассчитать зная распределение интенсивности спекл-картины в дальней зоне, которое связано с ее статистическими свойствами ( автокорреляционной функцией).Для расчета также предполагается статистическая независимость отдельных спектральных составляющих спекл- картины и малая дифракционная эффективность . Результаты расчета приведены на Рис.9 для экспериментального распределения интенсивности приведенного на Рис.8. Для малых амплитуд колебаний А справедливо приближение :

А к ) 2я<1 п'гЕ

— " = Ш -г-к .Д (6)

где т - эффективный контраст равный отношению средней интенсивности спекл - картины к суммарной интенсивности (при теоретическом рассмотрении предполагается возможная дополни-. тельная однородная засветка кристалла) , I и I4* - постоянная

составляющая и первая временная гармоника интенсивности света в дальней зоне по направлению волнового вектора Е - внешнее

электрическое поле, п - показатель преломления, д - амплитуда колебаний в кристалле. Предполагается что колебания происходят вдоль оси X и вдоль этой же оси приложено внешнее поле. Эта формула верна для спеклов, вытянутых поперек направления поля (вдоль оси У). Экспериментально такие спеклы можно создать поставив щелевую диафрагму так, чтобы распределение интенсивности в дальней зоне было вытянуто вдоль оси х.

В результате самодифракции при амплитудах колебаний меньших диаметра спекла в центре пятна в дальней зоне интенсивность не меняется, а модуляция сигнала фотоприемника оказывается пропорциональной расстоянию от центра и амплитуде колебаний (рис.8,9). При увеличении амплитуды -до величин сравнимых с диаметром спекла, происходит размывание рапределения показателя преломления и сигнал динамической самодифракции спадает с дальнешим увеличением д (рис.9).

В п.З. приводятся результаты экспериментальных измерений самодифракции, проводившихся для кристаллов взо. Они хорошо соответствуют выводам теоретического анализа п.2. (См. рис.8,9). Используя балансное детектирование о двумя фотоприемниками, в полосе 10 Гц можно измерять колебания с амплитудой до 1СГ1 диаметра спекла.

•01 о

7ГОП икблюдвнк! К./1К1

Л/к

Рис.8.

рис.9.

В п.4. рассматривается зависимость от амплитуды колебаний для фотоЭДС,, возбуждаемой колеблющейся спекл- картиной. Она

дается выражением сходным по структуре с выражением для величины сигнала динамической-самодифракции:

2 1(к)1(к) (к „-*„) г -г окТ/е -»-1- " ■ " Л ((к - к )Д>

к ,к 1 I

1 + |к -к IV

1 1 <1 I

(?)

Здесь ^ и ^ -функции Бесселя нулевого и первого порядков. Суммирование осуществляется по компонентам интенсивности в дальней зоне 1(к) соответствующим волновым векторам к. На рис.10 приведено сравнение теоретического расчета с результатами измерения зависимости величины нестационарной фотоЭДС от амплитуда колебаний для кристалла взо.

В п.5. приводятся результаты экспериментов по измерению колебаний спекл-картины адаптивным фотоприемником на основе ар-сенида галлия. Для этих измерений необходимо спроектировать изображение освещенной когерентным светом точки дафБузно рассеивающей колеблющейся поверхности на адаптивный фотоприемник. Характерная дня полупроводников частота среза порядка килогерц обеспечивает высокую стабильность выходного сигнала даже в условиях плохой виброизоляции оборудования. Зависимость величины сигнала

сигнал(отн.ед)

амплитуда колебаний(мкм) ( |0 )00

»мтшнтуд» копебишА(ш)

Рис.10. ' Рис.IX.

от амплитуды колебаний для малых амплитуд приведаа на рис. II. При узкополосном ( в полосе 10 Гц) детектировании аксперимен-

тально измерялись колебания диффузного рассеивателя (матовой пластинки) с амплитудой меньше I нанометра.

В п.6. описано измерение способом п.5. колебаний на поверхности рельного даф£узно рассеивающего объекта- корпусе диффузора громкоговорителя. Изменяя угол наблюдения, можно измерять как касательные, так и нормальные компоненты колебаний. Калибровка измерений осуществляется путем дополнтельного смещения производимой объектом спекл- картины с помощью колеблющегося зеркала. Таким способом нами были измерены распределения амплитуды колебаний вдоль линии на корпусе и спектральные характеристики колебаний.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы, которые могут быть сформулированы следующим образом.

1. Подробно теоретически исследовпны возможные типы зависимости сигнала нестационарной фотоЭДС от частоты интерференционной картины, периода решетки и внешнего электрического поля в случае биполярной фотопроводимости. Показано, что форма этих зависимостей в случав малого контраста интерференционной картины определяется несколькими параметрами фотопроводимости независимо от структуры примесных уровней. В случае нелинейной генерации/рекомбинации либо наличия темновой проводимости знак сигнала фотоЭДС в сильном электрическом поле может быть противоположным обычному. В этом случае возможно также исчезновение резонансного пика в частотной зависимости.

2. Впервые проведены измерения нестационарной фотоЭДС в полуизолирущих полупроводниковых кристаллах сате и саБе а также измерения фоторефрективности в саае и продемонстрирована перспективность использования этих кристаллов в качестве адаптивных фотоприемников в ближнем ЙК диапазоне длин волн.

3. Проведено теоретическое исследование нестационарной фотоЭДС для случаев пространственного ограничения области протекания тока ( для тонкой пленки и в случае сильного поглощения света). Показано, что при доминировании фотопроводимости одного типа наличие сильного^собственного поглощения может не приводить к существенному изменению величины сигнала фотоЭДС и его зависимости от пространственной частоты интерференционной картины. Для случая тонкой пленки происходит замедление формирования решетки пространственого заряда в (1 + ■ ) раз по сравнению

с объемным случаем.

4. Для полупроводникового кристалла ОаАа проведены измерения сигнала фотоЭДС в зависимости от длины волны в области как примесного, так и собственного поглощения с переходом через край собственного поглощения. Подтвержден теоретический вывод о том, что наличие собственного поглощения может не приводить к существенному изменению величины сигнала. фотоЭДО и его зависимости от пространственной частоты интерференционной картины. Экспериментально показано, что адаптивные фотоприемники работающие в области сильного собственного поглощения столь же аффективны как и работающие в области примесного, т.е. возможно использование тонких образов и пленок вместо массивных образцов.

4.Показано, что взаимодействие колеблющейся спекл- картины с фоторефрактивным кристаллом приводит к периодическому перераспределению интенсивности в дальней зоне и к появлению тока нестационарной фотоЭДС. Теоретически и експериментально исследованы характеристики сигнала в обоих случаях. Показано, что зависимость сигнала от амплитуды колебаний определяется прамэтрами автокорреляционной функции спекл- картины. Выведены формулы для расчета этих зависимостей исходя из распределения интенсивности света в дальней зоне.

5. Продемонстрирована возможность измерения различных компонент колебаний реальных диЭДузно рассеивающих объектов путем детектирования с помощью адаптивного фотоприемнвкв колебаний спекл- картины. Этим способом в полосе частот 10 Гц на частотах порядка килогерца измерялись колебания о амплитудой 1-Ю4 нм.

Цитируемая литература.

1. Петров М.П., Степанов С.И., Хомеико A.B. Фоторефрактивные . кристаллы в когерентной оптике. - СПб.: Наука. С.-Петербургское отд-ние, 1992.- 320 с.

2. Трофимов Г.С., Степанов С.И. Нестационарные голографические . токи в фоторефрактивных кристаллах // ФГТ.- 1986,- т.28, В.9.- . С.2785-2789.

3. PetrovM.P., Sokolov I.A., Stepanov S.I., Trofimov G.S. Non-steady-state photo-electro-rootlve force induced by dynamic gratings in partially compensated photoconductors // J.Appl.Phys.- 1990- v.68.- p.2216-2225.

4. Stepanov 8.X. Adaptive interferometry: a new area of applica tions of photorefractive crystals // in International Trends In Optica, ed. by J.Goodman, Academic.- 1991.- p.124- 140.

5. Трофимов Г.С., Степанов С.И., Петров М.П., Красинькова М.В. Нестационарная фотоЭДС при пространствено - неоднородном возбуждении GaАа:Cr // Письма в ЖТФ. - 1987 - T.X3, в.6 - С.265 -269.

8. Степанов O.K., Трофимов Г.С. Нестационарная ЭДС в кристаллах о биполярное фотопроводимостью //OTT.- 1989.- т.31, b.I.- с. 8992.

7. Stepanov B.I., Sokolov I.A., Trofimov G.S., Vlad V.l., Popa D., Apoatol I. Measuring vibrarlon amplitudes in the picometer range using moving light gratings in photoconductive GaAs:Cr // Opt.Lett.--1990.- v.15.- p.1239-1241.

а. Степанов С.И., Куликов В.В., Петров М.П. Усиление "бегущих" голограмм в кристаллах Bl12ßio20 // Письма в ЖТФ.- 1982.- т.8.-0.527-531.

9. Piccoli G., Gravey P., Oikul С., Vieux V. Theory of two - wave mixing gain enhancement in photorefractive InP:Fe A new nechanlsm of resonance. // J.Appl.Phys. - 1989,- v.66. - p.3798-3813.

10. P&past&mitou M.J., Papaioannou G.J. Recombination mechanism and carrier lifetimes of semi-insulating GaAs:Cr // J.Appl. Phys." 1990.- v.68.- P.1094 - 1098. '

11. Speckle metrology / Ed.by R.E.Erf - N.Y.: Academic Press,1978.- 331pp.

Список работ по

I. N.A.Korneev, S.I.Stepanov vibrations of speckle patterns in GaAs:Cr.//Journal of Modern Z. H.A.Korneev, S.I.Stepanov

теме диссертации.

Measurement of small lateral using a lion-steady-state photoEMF Opt. -1991.-v.38.-p.2153-2158. Dynamic self-dif-fractlon of

laterally vibrating speckle patterns in photorefractive crystals./ZOptik. -1992.- v.91.- p.61-65.

3. N.A.Korneev, S.I.Stepanov Non-steady-3tate photoelectromotive force in semiconductor crystals with high light absorption.//J.Appl.Fhys. -1393.- v.?4.-p.2736-2741.

4. N. A.Komeev.S. I.Stepanov Photorefractivity in CdSe.// Froc.of Topical Meetins on Photorefractive ■ Materials, Effects, and Devices (Kiev, Ukraine). -1993. - p.297-300.

5. N.A.Korneev, S.I.Stepanov Near IR excitation of non-steady-state photoEMF in photorefractive GaAs and CdTe.// Froc.of- Conference on Lasers and El'ectro-Optics (Baltimore,USA) -1993.-p.520-522.

6. N.A.Korneev, S.I.Stepanov High sensitivity lateral / longitudinal vibration measurement speckle technique with adaptive photodeteotors // Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics (Anaheim, USA) - 1994. - p.166.

7. N.A.Korneev, S.I.Stepanov Non-steady-state photoEMF in thin photoconductive layers. ПрШЯТО К Публикации IEEE J.Quant. Electronics.