Приемник электромагнитного излучения

 

Изобретение относится к области электроники , в частности к области криоэлектроники, и может быть использовано для ввода информации в крио-ЭВМ. Целью изобретения является упрощение конструкции приемника электромагнитного излучения, повышение помехоустойчивости при использовании его в криоЭВМ за счет получеИзобретение относится к электротехнике , а более конкретно к области криоэлектроники. Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение для ввода информации в криоЭВМ. Известен ряд приемников электромагнитного излучения различных диапазонов длин волн. В оптоэлектронике широко используются фотоприемники на основе фотогальванического эффекта, в которых поглощение фотонов с энергией, большей ширины запрещенной зоны, сопровождаетния возможности его использования без источников питания и дополнительных схем согласования. Указанна цель достигается тем, что в приемнике электромагнитного излучения , содержащем полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и электрическую схему с выходными клеммами , преобразующую изменение электродинамических свойств полупроводника под действием принимаемого излучения в электрический сигнал, в качестве электрической схемы использован колебательный контур, индуктивностью которого является соленоид , полупроводник помещен в магнитное поле этого соленоида, а концы обмотки соленоида соединены с выходными клеммами . Соленоид может быть помещен в магнитное поле дополнительно введенного источника квазистатического магнитного поля таким образом, чтобы силовые линии этого магнитного поля в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида, при этом увеличивается вольт-ваттная чувствительность приемника. 1 з. п. ф-лы, 1 ил. ся образованием электронно-дырочных пар с обеих сторон от p-n-перехода и возникновением в нем ЭДС. Такие фотоприемники используются в измерительных и индикаторных приборах, поскольку обладают достаточно высоким быстродействием

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (II) (ct)s Н 01 (31/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ г

" - бб.баба 4

Ql

ОО

° ива (л) (21) 4791179/25 (22) 11.12.89 (46) 30.08,92. Бюл. RL 32 (71) Научно-исследовательский институт физических проблем им, Лукина (72) В.Н. Подшивалов, B,È. Махов, В,В. Масалов и A.Ë. Гудков (56) Кухаркин Е,С. Инженерная электрофизика. Техническая электродинамика. М.:

Высшая школа, 1982, с, 361-364.

Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М,: Атомиздат, 1964, с. 104—

105.

Кухаркин Е.С. Инженерная электрофизика. Техническая злектродинамика. M.:

Высшая школа, 1982, стр, 358-360. (54) ПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к области электроники, в частности к области криоэлектроники, и может быть использовано для ввода информации в крио-ЭВМ. Целью изобретения является упрощение конструкции приемника электромагнитного излучения, повышение помехоустойчивости при использовании его в криоЭВМ за счет получеИзобретение относится к электротехнике, а более конкретно к области криоэлектроники. Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение для ввода информации в криоЭВМ.

Известен ряд приемников электромагнитного излучения различных диапазонов длин волн. В оптоэлектронике широко используются фотоприемники на основе фотогальванического эффекта, в которых поглощение фотонов с энергией, большей ширины запрещенной зоны, сопровождаетния воэможности его использования без источников питания и дополнительных схем согласования. Указанная цель достигается тем, что в приемнике электромагнитного излучения. содержащем полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и электрическую схему с.выходными клеммами, преобразующую изменение электродинамических свойств полупроводника под действием принимаемого излучения в электрический сигнал, в качестве электрической схемы использован колебательный контур, индуктивностью которого является соленоид, полупроводник помещен в магнитное поле этого соленоида, а концы обмотки соленоида соединены с выходными клеммами. Соленоид может быть помещен в магнитное поле дополнительно введенного источника квазистатического магнитного поля таким образом, чтобы силовые линии этого магнитного поля в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида, при этом увеличивается вол ьт-ваттная чувствительность и риемника.

1 з. и. ф-лы, 1 ил. ся образованием электронно-дырочных пар с обеих сторон от р-и-перехода и возникновением в нем ЭДС. Такие фотоприемники используются в измерительных и индикаторных приборах, поскольку обладают достаточно высоким быстродействием (10 — 10 с).

Недостатками таких приемников являются сложность их конструкции и сравнительно низкая чувствительность, При использовании их в крис-ЭВМ возникают дополнительные сложности, связанные с б—

1758713

10

30

55 созданием контактов между полупроводником и сверхпроводником, а также с необходимостью согласования высокоомной полупроводниковой структуры со сверхпроводящими устройствами.

Наиболее близок к предлагаемому приемнику по своей физической сущности фотоприемник на основе внутреннего фотоэффекта (фоторезистор). Такой приемник представляет из себя пленку или пластину из высокоомного полупроводника, поглощающую принимаемое излучение и снабженную двумя невыпрямляющими контактами для включения в электрическую цепь, Электрическая цепь преобразует изменение сопротивления полупроводника, вызванное поглощаемым излучением, в электрический сигнал и содержит источник питания и схему согласования с внешними устройствами. Фоторезисторы обладают хорошей чувствительностью, широко используются в различных электронных и автоматических устройствах.

Недостатком, препятствующим использованию фоторезисторов для приема информации по оптическим каналам связи в крио-ЭВМ, является необходимость для их работы., источников питания и схем согласования с низкоомными сверхпроводящими элементами. Этот источник питания и схемы согласования усложняют конструкцию приемника и являются источниками дополнительных помех, которые, учитывая черезвычайно высокую чувствительность элементов крио-ЭВМ, могут приводить к сбоям в работе крио-ЭВМ.

Цел ь изобретения — упрощение конструкции, повышение помехоустойчивости приемника при использовании его в криоЭВМ за счет получения возможности его использования без источников питания и дополнительных схем согласования, Указанная цель достигается тем, что в приемнике электромагнитного излучения, содержащем полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и электронное устройство с выходными клеммами, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника под действием принимаемого излучения в электрический сигнал, в качестве электронного устройства использован колебательный контур, индуктивностью которого является соленоид, полупроводник помещен в магнитное поле этого соленоида, а концы соленоида являются выходными клеммами. Соленоид может быть помещен в магнитное поле дополнительно введенного источника квазистатического магнитного поля таким образом, чтобы силовые линии этого магнитного поля в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида; при этом увеличивается вольт-ваттная чувствительность приемника.

На черте>ке приведена схема предлагаемого приемника.

Конструктивной основой-приемника является диэлектрическая подложка 1. На ней расположена пластина из полупроводника

2. Эта пластина находится в магнитном поле короткоз ам к нута го с верхп ро водя щего витка 3 и охватывается витком соленоида 4, который подсоединен к выходным клеммам

5. Принимаемое излучение падает на пластину 2 сверху.

Приемник работает следующим образом.

Электромагнитное излучение поглощается пластиной из полупроводника 2. Под действием этого излучения в полупроводнике генерируются свободные носители заряда, пластина 2 становится проводящей и выталкивает из себя магнитное поле короткозамкнутого витка 3. При этом изменяется магнитный поток через соленоид 4, что и приводит к появлению на клеммах 5 напряжения, которое и является выходным сигналом. Причем, напряжение на клеммах

5 появляется только в том случае, когда магнитный поток через соленоид 4, а следовательно, и интенсивность светового излучения меняются во времени. Другим условием работоспособности приемника является достаточно низкая температура, при которой энергия теплового движения лежит ниже энергии ионизации, приводящей к образованию свободных носителей заряда, Приемник работоспособен и в отсутствие короткозамкнутого витка 3 с током или какого-либо другого источника квазистатического магнитного поля.

Действительно, соленоид всегда является индуктивностью колебательного LCконтура. В нашем случае С вЂ” это паразитная (ме>квитковая) емкость. Если теперь световое излучение промодулировано по амплитуде с частотой и = 2/k LC (k = 1, 2, 3...), контур будет параметрически раскачиваться и на выходных клеммах 5 появится переменное напряжение. Раскачка контура происходит из-за периодического изменения индуктивности 1 соленоида, которое вызвано тем, что при освещении полупроводниковой пластины электромагнитным излучением с периодически изме1758713 няющейся интенсивностью периодически изменяется и эффективная магнитная проницаемость полупроводника, Вольт-ваттная чувствительность приемника равна (при наличии источника постоянного магнитного поля) —, (1) п1п Ek R где w — число витков соленоида;

pp — магнитная постоянная;

1 — длина свободного пробега носителей;

Bp — абсолютное значение индукции магнитного поля; т„- время жизни свободных носителей заряда;

R — радиус пластины;

d — толщина пластины;

mp — эффективная масса;

Е» — энергия кванта излучения.

В случае отсутствия источника внешнего магнитного поля условие возникновения колебаний имеет вид

12 .Е Е mqEpRp

Ро

Р >

22.

Mke I rqipwp ж (2) где Pp — мощность светового потока;

Rp — сопротивление, характеризующее потери энергии в контуре;

M» — взаимоиндуктивность витка тока и соленоида;

Wp — погонная плотность витков соленоида.

В случае использования сверхпроводящего соленоида при температуре, при которой происходит "вымораживание" полупроводника, Рр определяется лишь потерями в нагрузке. Оценим значение Ро, при котором в контуре возникают колебания.

Примем R = 10 м, mp = 0,118 х 10 кг, -З1

Е»=21,8х10 Дж, М»=16х10 Гн,е=16х х10 19 Кул., = 3,13 х 10 м, zp = 5 х 10 с,,ио — — 1,26 х 10 Гн/м, Wp = 10 м, Я = 6,28х х10 с, Rp = 10 Ом. Подставив эти значения, получим условие возникновения колебаний: Pp > 6 х 10 .Вт.

-5

Таким образом, передача информации в крио-3ВМ может осуществляться по оптической линии связи с использованием инфракрасного источника излучения (например, полупроводникового лазера) мощностью 60 мкВт.

Оценим теперь возможность приемника с источником магнитного поля. Пусть приемник принимает инфракрасное излучение (длина волны А = 0,9 мкм, частота

v =3,3х10 Гц, E„=h и=21,8x10 Дж), Полупроводниковая пластина толщиной d =

0,5 мм и радиусом R = 1 мм изготовлена из

5 InSb, рабочая температура 77К, при этом

m„=0,118х10 кг, то=10 с,(=3,13х10 м.

Информация передается на частоте 1 МГц, соленоид состоит из одного витка, Во = 0,7 Тл.

Подставив эти значения параметров в фор10 мулу (1), получим, что вольт-ваттная чувствительность приемника А = 4 х 10 В/Вт.

Верхняя граничная частота приемника определяется обратным временем жизни носителей заряда f,p.«p». = I/ т, = 10 Гц.

В качестве нижней границы частотного диапазона приемника примем частоту, на которой вольт-ваттная чувствительность падает в два раза. Из формулы (1) следует, что частота будет в два раза меньше номинальной

trp.HèæH. = 0,5 МГц, Выхбдное сопротивление приемника равно сопротивлению соленоида и близко к нулю, Таким образом, определены все основные параметры приемника, При этом оказалось, что вольт-ваттная чувствительность сравнительно низка (А = 4 х 10 В/Вт), однако она достаточна при использовании приемника для приема информации в крио-ЭВМ. Следует также отметить, что величина А легко может быть повышена путем увеличения числа витков соленоида. Кроме того, А повышается и в том случае, когда соленоид является индуктивностью колебательного контура. Вольтваттная чувствительность в этом случае

35 увеличится до величины А х Q, где Q — добротность контура; при этом рабочий диапазон частот будет определяться полосой пропускания контура.

Предлагаемый приемник электромаг40 нитного излучения прост.по конструкции, имеет выходное сопротивление, близкое к нулю, и может быть без каких-либо дополнительных элементов и источников питания согласован с любыми, в том числе и сверх45 проводящими элементами, что весьма существенно в крио-ЭВМ.

Приемник не имеет каких-либо источников помех. Источником шума является только сопротивление обмотки соленоида, -50 которое может быть сведено к минимальной величине или даже к нулю в случае использования обмотки из сверхпроводника.

Формула изобретения

1. Приемник электромагнитного излуче55 ния, содержащий полупроводник, поглощающий принимаемое излучение, и устройство с выходными клеммами, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника под действием

1758713

Составитель В.Подшивалов

Редактор Л.Веселовская Техред M,Moðãåíòàë Корректор З.Салко

Заказ 3004 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 принимаемого излучения в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции приемника, а также повышения помехоустойчивости при использовании.ариемника в криогенной электронно-вычислительной машине за счет осуществления приема электромагнитного излучения без дополнительных согласующих устройств и источников питания, устройство, преобразующее изменение электродинамических свойств полупроводника в электрический сигнал, выполнено в виде колебательного контура с соленоидом, концы обмотки которого соединены с выходными клеммами, а полупроводник помещен внутри соленоида, 5 2. Приемник по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что дополнительно содержит источник постоянного магнитного поля, соленоид помещен в магнитное поле источника так. чтобы силовые линии магнитного поля источ10 ника в месте расположения полупроводника совпадали по направлению с силовыми линиями магнитного поля соленоида,