СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА ИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01L31/08 G01J1/42 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для регистрации и измерения потока ИК-излучения.

Известный способ регистрации и измерения потока ИК-излучения примесным фоторезистором [1] включает приложение к его контактам постоянного напряжения, освещение фоторезистора через оптический модулятор и регистрацию сигнала с резистора нагрузки, включенного последовательно с примесным фоторезистором.

Данный способ, несмотря на широкое использование, обладает рядом недостатков. Наиболее существенным является необходимость использования оптического модулятора и затем усиления переменной составляющей фотосигнала до необходимой величины с помощью узкополосных измерительных усилителей.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ регистрации и измерения потока ИК-излучения примесным фоторезистором на основе кремния, легированного селеном [2]. Этот способ включает приложение к контактам примесного фоторезистора на основе кремния, легированного селеном, постоянного напряжения, освещение фоторезистора через оптический модулятор и регистрацию сигнала с резистора нагрузки, включенного последовательно с примесным фоторезистором.

Основными недостатками являются также использование оптического модулятора и затем усиление переменной составляющей фотосигнала до необходимой величины с помощью узкополосных измерительных усилителей. Это приводит к усложнению измерительной системы, добавлению дополнительных шумов измеряемого тракта и использованию дорогостоящего оборудования.

Техническим результатом изобретения является получение усиленного переменного фотосигнала, пропорционального потоку ИК-излучения непосредственно с фоторезистора без применения модуляции потока.

Технический результат достигается тем, что в способе регистрации и измерения потока ИК-излучения на примесном фоторезисторе на основе кремния, легированного селеном, включающем приложение к его контактам постоянного напряжения, освещение фоторезистора и регистрацию сигнала с резистора нагрузки, прикладывают напряжение U (B) в диапазоне
1,4•10³•d<U<1,7•10³•d
регистрируют частоту колебаний тока f (Гц) в резисторе нагрузки и определяют величину потока ИК-излучения P_ф (Вт/см²) из соотношения
P_ф = f•U/b
где
d - длина образца между контактными областями, см;
b - постоянная величина для данного фоторезистора, определяемая по приведенному соотношению в указанном диапазоне напряжений хотя бы при одном известном значении P_ф.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Известно, что селен в кремнии является донором с энергией основного состояния E_с - 0,29 эВ и возбужденного E_с - 0,03 эВ. При частичной компенсации мелкой акцепторной примесью (например, бором) образуются положительно заряженные ионы селена, которые служат центрами захвата (ловушками) для электронов.

В случае низкой температуры, когда термических обмен с зоной проводимости затруднен, такой полупроводник имеет большое сопротивление и, следовательно, большое среднее время диэлектрической релаксации, значительно превосходящее другие характерные времена (время жизни и время пролета), определяющие релаксацию фотопроводимости в традиционном способе. При этом распределение электрического поля в фоторезисторе в основном определяется зарядом электронов, захваченных на ловушки и суммарный заряд которых много больше концентрации носителей в зоне проводимости.

Под действием ИК-засветки в фоторезисторе происходит однородная генерация электронов с основного состояния уровня E_с - 0,29 эВ в зону проводимости. Обратный процесс захвата в основное состояние происходит через имеющиеся возбужденные состояния. При приложенном напряжении, за счет быстрого выноса электронов, большая часть носителей заряда захватывается вблизи анодной области фоторезистора. В результате образуется локально связанный заряд, приводящий к перераспределению электрического поля в образце. В следующий момент времени электроны, замедляя движение вблизи связанного заряда, будут захватываться более эффективно у его левой границы, сдвигаясь к области катода. Одновременно генерация светом приводит к освобождению связанного заряда на ловушках правой границы. Таким образом, в стационарном состоянии происходит непрерывное движение связанного заряда по ловушкам против направления дрейфа электронов в зоне проводимости.

При возрастании приложенного напряжения в фоторезисторе формируется дрейфовое электрическое поле, в котором происходит разогрев носителей заряда. Разогрев носителей приводит к уменьшению эффективности захвата свободных носителей и возрастанию вероятности ударной ионизации захваченного на ловушки заряда. Ударная ионизация носителей с возбужденного состояния примеси нарушает описанное выше стационарное состояние и в фоторезисторе формируется новое, автоколебательное состояние, регистрируемое в виде колебаний тока в нагрузочном резисторе.

Возникшее автоколебательное состояние поддерживается за счет механизмов внутреннего усиления флуктуаций тока с определенным отбором частот и характеризуется дисперсионным соотношением, связывающим частоту осцилляций тока f с приложенным напряжением U и примесной ИК-засветкой P_ф
f = b•P_ф/U
причем
b = e•d•α•λ/2π•εε₀•k•h•c
где
e - заряд электрона;
d - длина фоторезистора между контактными областями;
α - коэффициент поглощения;
εε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния;
k - волновое число;
h - постоянная Планка;
λ - длина волны излучения;
c - скорость света.

Коэффициент b постоянен для данного фоторезистора и определяется по известному потоку ИК-излучения хотя бы в одной точке. Интенсивность измеряемого потока ИК-излучения определяется путем измерения частоты токовых осцилляций при известном приложенном напряжении и коэффициенте b.

Выбор диапазона напряжений обусловлен по минимуму необходимым достижением времени пролета и степенью разогрева, а по максимуму - ударной ионизацией с возбужденного состояния во всем объеме фоторезистора.

Проверка предлагаемого способа регистрации и измерения потока ИК-излучения проводилась экспериментально.

Пример. Образцы были изготовлены путем легирования кремниевой пластины марки КДБ-20 донорной примесью - селеном до концентрации ~10¹⁶ см^-3. Омические контакты создавались путем подлегирования фосфором до концентрации 10²⁰ см^-3. Площадь фоторезистора составляла 3,14•10^-2 см², а длина 1,6•10^-2 см.

Измерения проводились при температуре 78 К, на образец подавалось постоянное напряжение U от 24,03 до 27,94 В и ИК-засветка с длиной волны 3,1 мкм с различными потоками P_ф (для контроля потока ИК-излучения использовался эталонный фотоприемник). В результате с резистора нагрузки регистрировался периодический токовый сигнал с частотой f, пропорциональной P_ф и обратно пропорциональный U. Результаты измерений сведены в таблицу. Определенное значение b составило ~ (1,775±0,125)•10⁸ Вт•см²/Вт•с. При проведении экспериментов c модулированным на разных частотах световым потоком выявлен резонансный характер выходного сигнала с максимумом на частоте генерации при постоянном потоке.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает следующими преимуществами.

1. Увеличивает чувствительность примесного фоторезистора за счет механизма внутреннего селективного усиления флуктуаций в узком частотном диапазоне.

2. Отсутствует необходимость использования оптического модулятора, поскольку необходимый для усиления на переменном токе периодический сигнал формируется за счет внутренних свойств фоторезистора.

Использование: в полупроводниковой технике и для регистрации и измерения потока ИК излучения. Сущность изобретения: в способе регистрации и измерения потока ИК-излучения фоторезистором на основе кремния, легированного селеном, включающем приложение к его контактам постоянного напряжения, освещение фоторезистора и регистрацию сигнала с резистора нагрузки, прикладывают напряжение U(В) в диапазоне 1,4 • 10³ • d <U <1,7 • 10³ • d, регистрируют частоту колебаний тока f (Гц) в резисторе нагрузки и определяют величину потока ИК-излучения Р_ф (Вт/см²) из соотношения: P_ф = f • U/b, где d - длина образца между контактными областями, см; b - постоянная величина для данного фоторезистора, определяемая по приведенному соотношению в указанном диапазоне напряжений хотя бы при одном известном значении Р_ф. Технический результат заключается в получении усиленного переменного фотосигнала, пропорционального потоку ИК-излучения непосредственно с фоторезистора без применения модуляции потока. 1 табл.

Способ регистрации и измерения потока ИК излучения фоторегистром на основе кремния, легированного селеном, включающий приложение к его контактам постоянного напряжения, освещение фоторезистора и регистрацию сигнала с резистора нагрузки, отличающийся тем, что регистрируют частоту колебаний тока f (Гц) в регисторе нагрузки и определяют величину потока Р_ф (Вт/см²), связанную с f и приложенным напряжением U (B) в диапазоне
1,4•10³•d<U<1,7•10³•d,
соотношением
Р_ф=f•U/b,
где d - длина образца между контактными областями, см;
b - постоянная величина, определяемая из приведенного соотношения хотя бы по одному известному значению Р_ф.