Источник электромагнитного излучения Советский патент 1983 года по МПК H05B33/12 H01L33/00 

Изобретение относится к опто3Ui®nri 0HKK6 и может быть использовано в эксвер 1ментальной физике и измерительнсй техниже в качестве стабильного источника излучения. Изаестен полупроводниковый источНИК эяектромагнитного излучения, содержа1ф1й излучаюпсий р- п переход и два оми еских контакта для йодачи на11ряжен ш DO При подаче напряжения на контакты в прямом наиравл€ нии происходит инжектшя носителей из одной области р-П-перехода в другую, где они рекьмбинируют с испусканием фотона. И11жек1 онный ток и соответствующее ему И3 лу $ение бькггро возрастают с увел;ирч;в«ием напряжения смещения Vg . Интенсивность излучения в этом случае подчи-няется закону диодного уравнения , где С - константа; П -число, большее един}. Не остаткс л этого источника являе ся йщэк чзвабяльность выходящего из лучения, йвиду сильной зависимости излучения от прилокенного напряжения смесф ния. Кроме того, приборл с р -tt-переходом, выполнейные из узкозонных материалов, могут работать только в условиях низких температур Наиболее близким по технической сущности к изобретению является исто ник электромагнитного излучения, содержащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическикт контактами на двух противоположшлх боковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскостям другой пары брковьос граней {2 . Величина магнитного поля выбирае ся достаточно большой так/ чтоейд йы гюл ялось условие квантования энеррии нс«з««елвй величина электрического nojBf выбир| ется доста точно ( так, чтобы набЛ1бдалось резкое умей ьшение удельного сопротив леш{я указанного полупровсщиика. ИШ natteassmiK полупроводника в ма поле, удовлетворяющего услови , где в - заряд элект)рона,ВС№. ,; : индукция магнитного поля; эффективная масса носителя заряда V ь- вр мя свободного пробега носителей заряда , наблюдается расщейлешсе непрерывногр спектра, зоны прово jy/eaoffnti на дискретшяе уровни (уровни Лввдг|у) и вместо обычного соотноше - (2) справедливого для парабблической зоны изотропного полупроводника, можно записать выражение где ЕС- дно зонь проводимости) и целое положительное число, (, Таким образом, дно зоны проводимости приподнимается на энергетический зазор между уровнями Ландау становится равным hWc ; К квазиимпульс носителя заряда; Kg составлякнцая квазиимпульса, параллельная направлению магнитного.поля. В полупроводнике в отсутствие электрического поля электроны распределяются по квантовым уровням энергии в соответствии с температурой решетки, занимая нижние уровни. При включении электрического поля достаточно большой величины можно выз- вать нагрев ансамбля электронов, т.е. увеличить их энергию и забросить на более высокие уровни энергии. Обратный переход электронов на нижние уровни происходит с высвобоходением энергиив виде квантов электромагнитного излучения (фотонов). Процесс квантования реализуется при условии ,т.е. для заметного эффекта квантования при реально достижимых величинах магнитного поля необходимы низкие температуры. По этой принине полупроводниковый элемент помещают в гелиевый криостат, а магнитные поля достаточно большой величины создаются сверхпроводящим магнитом. Однако, гелиевый криостат и сверхпроводящий магнит являются очень сложными и дорогостоящими устройствами. Для создания свободных электронов в области низких температур применяют специальное легирование полу проводника мелкими примесями. При этом проводимость полупроводника становится монополярной, а выходящее излучение источника в далекой . ИК-области, что в значительной мере ограничивает область его применения и усложняет технологию изготовления активного элемента. Основным недостатке предлагаемого источника является низкая стабильность выходящего излучения. Действительно, изменение величины электрического, поля приводит к изменению интенсивности излучения, поскольку от величины электрического.поля зависит населенность верхних уровней энергии. Из менение величины магнитного поля вызывает смещение энергетических уровней, что также приводит к изменению как спектральной, так и интеграль ной моцност и и злучения. ; Целью,изобретения является повышение стабильности интенсивности из лучения по управляющим воздействиям Поставленная цель достигается тем что в известном источнике электромагнитного излучения, содержащем пр моугольнун) полупроводниковую пласти ну с электрическими контактами на двух противоположных бЬковБ1х гранях которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоское тяМ другой пары боковых граней, плас тина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщина в направлении перпендикулярном граням основа ния, соизмерима с диффузионной длиной, но больше обратной величины коэ фициента мезвдузонного поглощения, причем скорости поверхностной рекомбинации на противоположных гранях основания -отличаются не менее чем на порядок.. На фиг.1 дано схематическое изобр жение устройства; на фиг.2 - распределение концентрации носителей по толщине пластины в направлении, перпендикулярном граням основания, фиг.:3 - зависимость интенсивности отрицательной люминесценции излучения от электрического поля источника из п5Ъ. Устройство .содержит полупровбдниковую пластину 1, боковые грани 2-5, грани основания 6 и 7, токовые электроды 8, магнит 9, источник электрического поля.10, направление излучения 11, равновесное распределение носителей в отсутствие внетаних воздействий 12, распределение носишедей при включенных электригческом и мйгнитнсял полях 13. Зависит мость для В 5 кгс - 14, зависимость для В 10 кгс-15 Устройство работает следующим образом. При термодинамическом равновесии со средой поглсядеНие теплового излучения среды объектом полностью компенсируется его тепловым испуска. пк&л P{j . Люминесценция объекта возникает при нарумёнии термодинамичёског6.равновесияР- Ро.При том в зависимости от соотнесения между равно :весной и неравшвесной заселеннбстя ли уровней энергииобьекта полная мощност и.зяучення Р може как больше, та;к и меньше мощностиравновесного нзлх- Ч1вния РО . Первому сшучаю соответеФву ет хс рсяао известная и подробно изученная положительная лю№1несценция , когда энергия внийнего воздействия идёт на увеличение степе ни зашолнения верхних уровней энёргии объекта. Во втором случае мсмцность люминесценции отрицательна . (отрицательная люминесцен ция); вдесь энергия внаинего возбуждения уменьшает степень заполнения верхних уровней энергии объекта. Предлагаемое устройство отличает- , ся от известных тем,.что оно базируется на явлении от{5йцательной люминесценции,. Интенсивность такой мощности изменения в пределах от равновесного значения Рд до нуля. При этом величина Вд определяется через мирювые константы и параметры полупроводника, не зависящие от управлякщих воздействий. Таким образс м видно, что при достижении предель ной глубины модуляции равной Р амплитуда выходящего излучения перестает зависеть от интенсивности внешних воз действий и их флуктуации, что существенным образом снижает требования к стабилизации уровня внешних воздействий, значительно упрсядает конструкцию блоков питания и повышает метрологические характеристики источника излучения. Для реализации отрицательной лю- . (минесценции в полупроводниках необ ходимо добиться уменьшения концентра:ции носителе заряда относительно их равновесного значения п;(пр чtif), . йри этом плотность рекомбинационного излучения из кристалла становится меньше своего равновесного значения РО .При сильном истощении кристалла, когда п| , излучение спадает до О, а глубина модуляции излучения ДР стремится к PQ . Здесь величина Р является только той частью равновесного излучения полупроводника, кото рая соответствует рекомбинационному излучению электронно-ДЕфочных пар, , а спектр излучения представляет собой к ривой спектрального распределения 1Планка графический закон, спектрального распределения излучения абсолютно черного тела), которая соответствует энергии перехода зоназона и формируется стационарным комбинационным изл5чением носителей {С концентрацией -PQ Можно вычис-. |лить по формуле-vM : «щп/ Где R - коэффициент отражения, полупроводника; К - постоянная Вольцмана/ т - абсолютная температура; Е - ширина запршаенной зоны; с скорость- света; п постоянная Планка В предлагаемом устройстве уменьение концентрации носителей заряда обусловлено биполярным истощением объема полупроводника в условиях магнитоконцентрационного эффекта. Сущность эффекта заключается в следующем. При помещении ограниченноГО полупроводника с биполярной проводимостью в скрещенные электрическое (El и магнитное (в) поля пространственное распределение носителей тока в нем становится су-Г щественно неоднородным (возникает поперечный градиент электронно-дырочных пар). Если один из поперечных полному току размеров кристалла сравним по величине с биполярной диффузионной дJшной t , то пространственное распределение носителей во веем объеме кристалла отличается от равновесного. Перераспределение носителей максимально в случае., если скорости поверхностной рекомбинации на противоположных (нормальных к градиенту концентрации носителей гранях- сильно различаются по величин В случае, если полупроводник имеё монополярную проводимость, данный эффект не наблюдается, поскольку , возникающее поле Холла препятствует значительному перераспределению носителей заряда. В биполярном полупроводнике градиент концентрации носин:елей не создает заметного поля Холла, поскольку перенос осуществляется парами частиц (электрон и дырка с равными компенсирующими Друг друга электрическшли зарядами Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешних полей (либо одного из них) из полупроводни1совой пластины 1 через ее грань 6 в навправлении 11 выходит равновесшлй поток излучения с плотностью Р , которую можно расчитать по формуле (4) . При включении электрического (в и магнитного (в) полей,в таком направлении, как это показано на фиг.1 под действием силы Лоренц а F « ЕБ происходит вследствие дрейфа электро но-дырочных пар, перераспред ление носителей заряда по толщине пластины в | -направлении. При этом концен рация носителей ззблизи грани 6 значительно уменьшается (фиг.2) и стано вится ниже равновесного значения п при дальнейшем увеличении f и Н концентрация свободных электронн6-дыроч ных пар и соответственно интенсивнос рекомбинационного излучения выходящего через грань 6 уменьшается,в пре деле приближаясь к йУлю, а глубина модуляции излучения стремится к Р, (фиг.З), Из фиг.З видно, что при Достижении некоторых знач;ений Е и В полевая зависимоать излучения выходи на уровень насыщения и р дальнейшем не зависит от величины внвцних воздействий и их флуктуации. Йанбольше го перераспределения носншелей заряда по толщине пластины и более . глубокого (необходимого для нО1.1альласти кристалла вблизи грани 6 npi толщине пластины, сравнимой с Ь-., можно получить, если скорости поверхностной рекомбинации на гранях 6 и 7 сильно различаются (по крайней мере на порядок) и грань 6 имеет меньшее значение. Если толщина пластигал сравнима с диффузионной длиной, то область пониженной концентрации носи телей (область истощения) охватывает Практически весь кристалл, и электронно-дырочные пары за время жизни успевают подрейфовать под действием силы Лоренца от грани 6 до грани 7, имеющей большую скорость поверхностной рекомбинации, на поверхности которой безйзлучательно рекомбинируют на поверхностных дефектах. Из фиг.2 видно, что в условиях магнитоконцентрационного эффекта не удается полностью удалить носители заряда из кристалла. Часть Носителей сосредоточена в области сжатой диффузионной длины L еж вблизи грани 7. При этом Lcjfe много меньше диффузионной длины L . При выполнении условия 2 где о, - коэффициент поглощения междузонного излучения, излучейие, возникающее при рекомбинации свободньах носителей в области сжатой диффузионной длины, не выходит -через гран, 6, поскольку истощенная достаточно толстая часть кристалла , чески полностью поглощает это излучение. Таким образом, толщина пластины должна быть Порядка диффузионной длины, но больше обратной- величины коэф фициента поглощения междузонного излучения полупроводника. Эти условия хорошо выполняются в прямозоншлх полупроводниках THnaZnSbf Zn Р,С( и т.д. , - Для нормальной работы устройства магнитные поля должны быть классически слабыми (неквантующими и не замагничивающими), .если магнитные поля будут квантующими/ то происходит изменение ширины запрещенной зоны на fjWc/2 и нарушается равновесное распределение носителей заряда по уровням энергии. В таких условиях PQ будет функцией Н, что приводит к зависимости от внешних управлянй4их воздействий OjHHoro из пределов изменения максимгшьной амплитуды отрицательной лкялинесценции. Вели магнитные поля будут э 1магничивающие, т.е. удовлетворять условию f тр зффект замагничивания носителей будет затруднять дрейф пар в л -управлении и препятствовать достижению второго (нулевого) предела .отрицательной люминесценции. Таким образом, для стабильной работы источника излучения магнитные поля должны удовлетворять условию эффектами квантования и замагничИвания, можно пренебречь.

Пример. Выполняется активный элемент излучателя из нелегированного пЗЬи представляющий собрй ирямо- , угольный паралле71епипед с характерными размерами 0,5x0,2x0,001 см. При комнатной температуре концентрация 5 собственных носителей составляет 21о см , что обеспечивает собственную проводимость полупроводника, т.е. Н Nd где Nd - концентрация неконтролируемой примеси. Одна из- широких граней пластины, с которЪй наблюдалось излучение, травится в , а другая шлифуется абразивным порошком, с целью получения сильно различающихся скоростей по- 15 верхностной рекомбинации на этих гранях. Контакты припаиваются индием с флюсом Zrt. к боковым граням кристалла. Это обеспечивает их омичность в широком интервале прикладываемых 20 электрических полей, Магнитное поле создается постоянным магнитом из кобальтового сплава. Электрическое

поле прикладывается в виде прямоугольных мпульсов с целью получения модули JS ованного потока излучения и уменьения джоулевого разогрева кртстала. Сигнал люминесценции регистрируется фотосопротивлением Qe{Au). хлажденным до 77 К, и поступает на сциллограф.

На фиг. представлены результаты экспериментальных исследований полевых характеристик разработанного источника излучения. Как видно из графика интенсивность свечения с ростом 35 электрического поля достигает определенной величины и затем практичес- . ки не меняется при дальнейшем увелиении .поля Е. Измерения показывают.

что глубина модуляции рекомбинационного излучения по абсолютной величине равна расчетной величине Р . При К Вт/см1

Если участок насыщения выбрать в качестве рабочего, то сигнал люминесценции не зависит от флуктуации Е и В полей. Это з«ачительно упрощает схему питания источников излучени и повьиаает метрологические характеристики предложенных излучателей, что дает возможность использовать предложенный источник в качестве эталонного. Мощность излучения в области насьиения зависит от-температуры. Это свойство позволяет устанавливать необходимую величину сигнала калиброки.

Инерционность свечения предложенного источника излучения определяется объемным временем жизни носителей за|5яда и составляет для ZnSb при ко1янатной температуре 10 с. Спектр излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника.

Источник излучения имеет следую-, щие технико-экономические преимущества работает в области комнатных температур, работает в области малых магнитных полей, стабильно работает при неконтролируемых флуктуациях внешних управляющих полей, что значительно упрощает конструкцию источников электрического и магнитного полей, мощность излучения точно расчитывается по аналитической формуле данный источник излучения мо)хно испрльзевать, в качестве эталонного при проведении научно-исследовательских работ.

Ь I

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоположных боковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскостям другйй пары боковых граней, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьппения ст-абильности интенсивности излучения по управляющим воздействиям, пластина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщина в направлении, перпендикулярном граням основания, соизмерима с диффузионной длиной, но больше обратной величины коэффициента {лезкдузонного поглощения, причем скорости поверхностной рекомбинации на протпвопо ложных гранях отличаются не менее чем на порядок. СО О5 да / .