D /3 D матрицы широкополосных фотоприёмников

Принцип работы 2D/3D матричного широкополосного фотоприёмника (ШПФП) основан на использовании радиотехнического выпрямления электромагнитных колебаний оптического диапазона (УФ, видимый, ИК) с помощью нелинейных устройств – 2 D градиентных концентраторов (2D ГК) [92—97].

2D ГК в рассматриваемом случае – это планарная пара электродов на диэлектрической подложке. Электроды, выполненные в виде пары остриё-антиостриё, разделены туннельно-прозрачным зазором (1 нм и меньше) и образуют двухполюсник.

Концентрация напряженности электрического поля (теоретически до бесконечности) у конца проводящего острия и спад напряженности (теоретически до нуля) в вершине внутреннего угла антиострия создаёт условия, способствующие выходу электронов с острия и их входу в антиостриё (рис.40), обеспечивая характерную для туннельных диодов униполярную проводимость.

Для ШПФП на базе 2D ГК не существует проблемы рассасывания носителей, как для полупроводниковых структур. Поэтому можно обеспечить высокое быстродействие – до 10¹⁶ Гц, кроме того, не требуется охлаждение для приёма оптического излучения, в том числе, ИК-диапазона.

Рис.40.1. Более острая топология 2D ГК – 2D виртуальный цифровой шаблон для нанолитографии.

Рис.40.2. Менее острая топология 2D ГК – 2D виртуальный цифровой шаблон для нанолитографии.

Вероятно, при использовании в качестве фотоприёмника наноструктур на основе 2D ГК возможно получение нескольких электронов на тепловую энергию (через фононы) одного поглощённого фотона, кванта излучения, переносимого электромагнитной волной (ЭМВ), а не одной первичной электронно-дырочной пары на фотон, как это происходит в полупроводниковых фотоприёмниках на базе обратносмещённого p-n-перехода. За исключением p-i-n структур с лавинно-пролётным усилением при значительном обратном смещении, разумеется. Благодаря использованию этих свойств радиотехнического преобразования энергии ЭМВ оптического диапазона, можно достичь более высокого КПД преобразования энергии оптического излучения в энергию детектированного электрического сигнала. 

На рис.41 представлен вибратор Герца для радиодиапазона, на рис.42 – полный аналог вибратора Герца – фотоприёмный элемент в виде оптического вибратора для оптического диапазона (УФ, видимый, ИК) для однополупериодного выпрямления, на рис.42.2 фотоприёмный элемент в виде оптического вибратора для двуполупериодного выпрямления. На рис.43 и рис.44 представлены 2D топологии фотоприёмных элементов для широкополосного и сверхширокополосного приёма оптического излучения.

Рис.40.3. 2D виртуальный цифровой шаблон для формирования 2D матрицы 2D ГК.

Рис.41. Вибратор Герца [92—97].	Рис.42.1. Оптический вибратор [92—97].
Рис.42.2. Фотоприёмный элемент в виде оптического вибратора для двуполупериодного выпрямления индуцированного электрического тока [92—97].	Рис.42.3. Антенна типа «волновой канал» [92—97].

На основе 2D ГК возможна разработка энергетических систем по типу солнечных батарей (СБ), но с расчётным КПД в два—три раза большим:

· современные a-Si СБ: η_aSi≈8%;

· современные каскадные СБ на гетероструктурах AlGaAs/GaAs: η_AlGaAs/GaAs≈15—35%%;

· перспективные СБ на основе 2D/3D матриц наноразмерных широкополосных оптических вибраторов на базе 2D ГК: η_2DГК≈40—60%%.

       Большой КПД η_2DГК≈40—60%% для СБ на основе 2D/3D матриц наноразмерных широкополосных оптических вибраторов на базе 2D ГК определяется отсутствием фундаментальных факторов, которые ограничивают КПД традиционных полупроводниковых СБ.

Рис.43. 2D матрица широкополосного фотоприёмного устройства [92—97].

Рис.44. 2D матрица сверхширокополосного фотоприёмного устройства [92—97].

       На основе 2D ГК возможна разработка энергетических систем по типу и на основе высокоэффективных термопреобразователей: градиент температур – десятые доли единиц градусов (⁰К или ⁰С). Такие характеристики недоступны для известных термопреобразователей на основе элементов Пельтье.

Преобразование энергии в туннельных ШПФП происходит не вследствие поглощения фотона и генерации электронно-дырочной пары, а в результате нелинейного преобразования электромагнитных волн в туннельном диоде, выполняющем функции ШПФП. Поэтому отпадает необходимость применения полупроводниковых структур, в том числе узкозонных, типа InSb. В результате исключается комплекс технологических и приборных проблем, связанных с созданием фотоприёмных приборов на основе узкозонных полупроводниковых материалов и, что особенно важно, необходимостью их глубокого охлаждения.