УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01R21/12 

Изобретение относится к технике измерения временных, энергетических характеристик импульсов оптического излучения и может быть использовано в оптических системах приема, передачи, обработки информации, а также в компьютерах нового поколения.

Известен измеритель мощности ИК-излучения, который выполнен на основе дырочного полупроводника с ионизированными примесными центрами, энергетические контакты которого расположены на боковой поверхности, а приемная площадка выполнена перпендикулярно оси в полупроводниковом кристалле [Авторское свидетельство СССР N 475907, МКИ H 01 L 31/14].

Однако указанный измеритель имеет основное и принципиально неустранимое ограничение по чувствительности и быстродействию, связанное с малой подвижностью ионизированных носителей. Создание больших тянущих полей в данном случае не решает проблему, поскольку при этом резко возрастают генерационно-рекомбинационные шумы и нагрев полупроводникового элемента. Другой характерный недостаток этого принципа измерения связан с ограничением чувствительности полупроводниковых фотоприемников рекомбинационными процессами - вследствие этого не все возбужденные (в зону проводимости) электроны проходят путь от "катода" к "аноду", значительная часть их рекомбинирует, что, естественно, снижает чувствительность и точность метода.

Известно также фотосопротивление, которое выполнено из полупроводника с шириной запрещенной зоны более чем в два раза, превышающей энергию кванта излучения, а именно из дырочного германия, легированного элементами III группы, например Ga, In, с концентрацией свободных носителей в диапазоне 10¹⁴- 2•10¹⁵ см^-3 [Авторское свидетельство СССР N 457407, МКИ H 01 L 31/00, H 01 S 3/00].

Однако указанное фотосопротивление имеет низкую чувствительность и недостаточную точность измерения (по тем же причинам, что и в предыдущем случае).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является измеритель интенсивности оптического излучения, содержащий оптически активный полупроводниковый элемент и СВЧ-измеритель. СВЧ-измеритель состоит из последовательно соединенного СВЧ-генератора, двойного волноводного тройника и СВЧ-детектора, выход которого подключен к индикатору тока. В одном боковом плече двойного волноводного тройника последовательно размещены аттенюатор и короткозамыкающий поршень, а на выходе другого установлен оптически активный полупроводниковый элемент [Авторское свидетельство СССР 1185259, МКИ G 01 R 21/12].

Важной особенностью данного измерителя является то, что изменение фазы отраженной от полупроводника волны происходит практически в тот момент, когда под действием света электроны возбуждаются в зоне проводимости, т.е. когда в зоне проводимости появляются свободные носители заряда. Это обеспечивает высокое (10^-9-10^-10 сек) быстродействие прибора, позволяя проводить измерение интенсивности сверхкоротких лазерных импульсов. Очевидно, что в данном случае на точность измерений не влияют эффекты, связанные с прохождением тока по полупроводнику, а также контактные явления, характерные для фотосопротивлений.

Однако указанный измеритель имеет недостаточную чувствительность. Это связано с тем, что в общем случае при взаимодействии СВЧ-волны с полупроводниковой плазмой коэффициент отражения и соответственно фаза волны слабо зависят от концентрации фотовозбужденных электронов в полупроводнике, а также из-за значительного влияния поверхностной рекомбинации на величину концентрации и пространственное распределение фотовозбужденных носителей.

Задача изобретения - повышение чувствительности.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения интенсивности оптического излучения, содержащее фоточувствительный полупроводниковый элемент и СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны, введен магнит, причем фоточувствительный полупроводниковый элемент помещен между его полюсами.

Кроме того, возможен вариант исполнения заявляемого устройства с соблюдением соотношения

где
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ω_CBЧ - частота СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны;
ω_p - плазменная частота фоточувствительного полупроводникового элемента.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью
фиг. 1 - общая структурная схема устройства для измерения интенсивности оптического излучения;
фиг. 2 - график модуля коэффициента отражения СВЧ-волны от фоточувствительного полупроводникового элемента в зависимости от частоты СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны,
фиг.3 - вариант конструкции устройства для измерения интенсивности оптического излучения,
где на фиг. 1, 3:
1 - опорное плечо;
2 - измерительное плечо;
3 - плечо, в которое включен детектор 5;
4 - плечо, в которое включен СВЧ-генератор 6;
5 - СВЧ-детектор;
6 - СВЧ-генератор;
7 - фоточувствительный полупроводниковый элемент;
8 - магнит.

Основой заявляемого устройства для измерения интенсивности оптического излучения является СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны, включающий в себя волноводное мостовое соединение, позволяющее сравнивать фазы волн, прошедших измерительное и опорное плечи.

Устройство для измерения интенсивности оптического излучения (фиг. 1) представляет собой четырехплечевое волноводное соединение, выполненное или с помощью двух ответвителей, или с двойным тройником. Электромагнитная волна от генератора, подключенного к плечу 4, поступает в плечи 1 и 2, опорное и измерительное.

Частота СВЧ-генератора выбрана исходя из соотношения

где
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ω_CBЧ - частота СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны (или СВЧ-генератора, входящего в состав измерителя);
ω_p - плазменная частота, связанная с параметрами фоточувствительного полупроводникового элемента соотношением

где
ε₀ - диэлектрическая постоянная фоточувствительного полупроводникового элемента;
m^* - эффективная масса носителей в полупроводниковом материале;
e - заряд электрона;
n - концентрация фотовозбужденных электронов.

Выбор такой частоты СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны (или СВЧ-генератора, входящего в состав измерителя) обусловлен эффектом плазменного резонанса. Известно, что важнейший параметр полупроводниковых измерителей - чувствительность зависит в основном от отношения концентрации фотовозбужденных носителей к темновой концентрации. Существенно понизить темновую концентрацию в большинстве полупроводниковых материалов технологически сложно, а в узкозонных полупроводниках типа InSb, InAs и др. практически невозможно из-за теплового возбуждения электронов в зоне проводимости. По этой причине узкозонные фотоприемники в инфракрасной области спектра работают, как правило, при температуре жидкого азота (77 K) и более низких температурах.

Предлагаемый принцип измерений позволяет решить эту проблему путем облучения фотовозбужденного полупроводника СВЧ-полем на частотах в области плазменного резонанса. На фиг.2 приведена зависимость коэффициента отражения СВЧ-излучения от полупроводника. Видно, что в области плазменного резонанса (участок кривой AB) зависимость практически линейна и имеет высокую крутизну. При этом очень малое повышение концентрации фотовозбужденных электронов вызывает значительное изменение фазы и коэффициента отражения СВЧ-волны. Использование явления плазменного резонанса позволяет "отстроиться" от влияния темновой концентрации носителей и создать высокостабильные и бесконтактные неохлаждаемые полупроводниковые приемники ИК-излучения.

Отраженные волны из плеч 1 и 2 поступают в плечо 3, в которое включен детектор 5. Наличие сигнала в плече 3 является указанием на неидентичность (разбаланс) нагрузок в плечах 1 и 2. Если в опорном плече включена эталонная нагрузка, то легко проводить сравнение ее с неизвестной нагрузкой, пользуясь детектором 5 в плече 3. Функции этого детектора оказываются, таким образом, сходными с функциями детектора в диагонали обычной низкочастотной мостовой схемы.

Сдвиг фазы отраженной от фотовозбужденного полупроводника СВЧ-волны приводит к изменению картины стоячих волн в СВЧ-измерителе, что фиксируется СВЧ-детектором 5.

Быстродействие прибора на несколько порядков превосходит характерное время жизни носителей практически во всех полупроводниковых материалах, что обеспечивает высокую точность измерений, не достижимую традиционным путем (сигнал, снимаемый с детектора 5, прямо пропорционален концентрации фотовозбужденных электронов).

При помещении активного полупроводникового элемента между полюсами магнита 8 (фиг. 1) магнитное поле влияет на величину концентрации и пространственное распределение фотовозбужденных носителей. То есть в данном случае магнитное поле понижает темп рекомбинации, "отжимая" за счет уменьшения коэффициента диффузии фотовозбужденные электроны от поверхности и препятствуя их диффузии вглубь полупроводника. Данный эффект позволяет еще более повысить чувствительность и точность измерения.

В быстродействующих СВЧ-измерителях целесообразнее использовать согласованные волноводные мосты (волноводные тройники), по двум плечам которых поступают бегущие волны из измерительного и опорного плеч СВЧ-измерителя в согласованное плечо с детектором (фиг. 3). Результирующая амплитуда, пропорциональная разности фаз между этими волнами, регистрируется детектором.

Использование двойного тройника в качестве моста для измерения сопротивлений на сверхвысоких частотах иллюстрируется на фиг. 3.

Устройство для измерения интенсивности оптического излучения содержит фоточувствительный полупроводниковый элемент, СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны и магнит, причем фоточувствительный полупроводниковый элемент помещен между полюсами магнита. Технический результат заключается в повышении чувствительности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения интенсивности оптического излучения, содержащее фоточувствительный полупроводниковый элемент и СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны, отличающийся тем, что в него введен магнит, причем фоточувствительный полупроводниковый элемент помещен между его полюсами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны и фоточувствительный полупроводниковый элемент выполнены с соблюдением соотношения

где ε - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ω_свч - частота СВЧ-измерителя параметров фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны;
ω_p - плазменная частота фоточувствительного полупроводникового элемента
1/2
где ε₀ - диэлектрическая постоянная фоточувствительного полупроводникового элемента;
m* - эффективная масса носителей в полупроводниковом материале;
e - заряд электрона;
n - концентрация фотовозбужденных электронов.