Источник электромагнитного излучения Советский патент 1984 года по МПК H01L33/00 H05B33/12 

S8 Изобретение относится к оптоэлект роиике н может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве термостабильного исгочника излучения. По основному авт. св. № 1023676 известен источник электромагнитного излучения, содержащий прямоугольную «ьтолнен ную из собственного полупроводника р толщиной, сравнимой с диффузионной д,тганой, но большей обратной величины коэффициента междузонного поглощения причем скорости поверхностной рекомбинации на противоположных гранях основания отличаются не менее чем на порядок, кроме того, пластина содержит электрические контакты на двух противоположных боковьЕ гранях и помещена в магнитное поле, направk T

00

VJ

41 спектральная плотность излучения ; частота излучения; ширина запрещенной зоны полу проводника ; излучающая способность кристалла ; абсолютная температура; постоянная Больцмана. Известный источник излучения обла дает высокой стабильностью излучения по управляющим воздействиям, посколь ку интенсивность излучения- ограничен Двумя жесткими пределами О и Рд LlJ . Недостатком известного устройства является сильная зависимость выходящего излучения от температуры, поскольку равновесное тепловое излзгчение всех полупроводников резко возрастает с увеличением температуры Целью изобретения является повышение термостабильности интегрального излучения в рабочем диапазоне температур . Поставленная цель достигается тем что в источнике электромагнитного излучения активный элемент выполняют из полупроводника, имеющего положительный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны, при этом дополнительно вводят оптический фильтр, обрезающий коротковолновую часть излучения. ленное перпендикулярно плоскостям другой пары боковых граней. При включении электрического (Е) и магнитного (В) полей происходит сильное истощение приповерхностной области полупроводника (пр.п) и наблюдается модуляция выходящего рекомбинационного излучения PQ от равновесного значения до нуля, т.е. наблнадается отрицательная люминесценция ( -PjjCO), При вьпшючении Полей (либо однрго иэ них) интенсивность излучения вновь возрастает от нуля до PQ , Амплитуда отрицательной люминесценции (максимальная глу/бина модулящш излучения) равна интегральной мощности равновесного теплового излучения полупроводника . в спектральной области . Максимальную мощность излучения такого источника можно определить по формуле Термостабильность выходящего интегрального потока излучения обеспечивается тем, что увеличение спектральной плотности- излуч.ения с температурой компенсируется уменьшением щирины спектрального диапазона излучения. На фиг. Т схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 спектральное распределение иэлуче- , ния при температурах 300, 290 и 280 К; на фиг. 3 - график температурных зависимостей мощности интегрального излучения источника при различных материалах; на фиг. 4 график полученных температурных зависимостей мощности интегрального излучения при фильтрах с различными . Устройство (фиг. 1) содержит /юлупроводниковую пластину 1, выполненную из биполярного полупроводника толщиной порядка диффузионной длины, но большей обратной величины коэффициента поглощения междузонного излучения полупроводника с положительным температурным коэффициентом ширины запрещенной зоны, омические контакты 2, которые электрически соединены с узкими гранями 3 и 4, источник электрического поля 10 соединен положительным полюсом через контакту 2, расположенный на грани 3, магнит 5 расположен так, что его силовые линии .ортогональны другой паре УЗКИХ граней 6 и 7, причем северный полюс расположен со стороны грани 6. Широкие грани 8 и 9 обработаны так, что отношение скоростей поверхностной рекомбинации S на них порядка 10 (). Кроме того, устройство содержит оптический фильтр 11. В отсутствие внешних полей (либо одного из них) из полупроводника 1 через его грань 8 выходит равновесный поток излучения Р,. При включении электрического (Е) и магнитного (В) полей в направлении, показанном на фиг. 1, под действием силы Лоренца Происходит перераспределение носителей заряда по толщине пластины При зтом концентрация носителей вбли зи грани 8 значительно уменьшается и становится ниже равновесного значения п-. При достаточно сильньк полях происходит сильное истощение приповерхностной области кристалла (пр.«п) и междузонное излучение, связанное с рекомбинацией свободных электронов и дырок, практически прекращается, а полевая зави симость мощности излучения выходит в насьшсение. Таким образом интенсивность излучения источника при достаточно сильных Б и В полях изменяется от РдДО нуля. Величина Р является той частью полной энергии теплового равновесного излучения полупроводника, которая соответствует излучению при рекомбинации : лектронов и дьфок. Длинноволновый резкий край излучения источника (фиг. 2) соответствует краю собственного излучения (поглощения) Полупроводника и определяется соотно Й1)шением и): Интегральная мощ h ность излучения (поглощения) полупро водника Pj определяется интегрировани ем формулы распределения Планка в пр Etf V делах -г uj : 00 и рассчитывается в конечном итоге по формуле (1). Ei делах рассчитывается в конечном итоге по формуле (1). Температурная зависимость мощности интегрального излучения, выходящего через грань 8, полупроводниковой .пластины показана на фиг. 3 для InSb и для CdHgT. Хорошо видно, что для полупроводников как с положительным (CdHgTe), так и с отрица1364 тельным (InSb) температурным коэффициентом ширины запрещенной зоны зависимость Рр (Т) монотонно и довольно резко возрастает с температурой. Для 3%/град InSb погрешность на 1К в области 290 К, а для CdHgTe |--s; и ;1,3%/.град. Однако для целого ряда задач измерительной техники такая погрешность.является недопустимой. Существенно изменить вид зависимости (Т) и повысить термостабиль- . ность интегрального излучения источника можно следующим образом. Более медленный рост Рд(Т) с повышением температуры для полупроводников, с положительным температурным коэффициентом ширины запрещенной зоны (и т) обусловлен сужением аТ спектрального диапазона излучения вследствие увеличения ширины запрещенной зоны (E Eff-i-dT), что выражается в сдвиге в коротковолновую область края собственного излучения г (фиг. 2). Однако сужение спектра излучения в этом случае лишь частично компенсирует рост мощности интегрального излучения, который наблюдается за счет возрастания спектральной плотности излучения на всех частотах от оо до (плотность оЪс намного большес ;т фиг. 2). Для того, чтобы вклад сужения спектрального диапазона (cfcw) в интегральную мощность излучения (оЬш) был сравним с вкладом температурного роста спектральной плотности излучения, спектральный диапазон излучения должен быть достаточно узким, что и достигается установкой перед активным элементом соответствующего фильтра, обрезающего коротковолновую часть излучения. Фильтр выбирается таким образом, чтобы в области рабочей температуры источника изменение спектральной плотности излучения компенсировалось изменением ширины спектрального диапазона излучения, т.е. abcdftcfkm (фиг. 2). В полупроводниках с отрицательным о: о) кр сдвигается в сторону меньших

частот и расширение спектра излучения наоборот способствует еще более резкому росту Р(Т).

).3х)).(б4б)„.Зх14хЬ1 {2}

Eg/t, т f т J, Etf где с х.-а; , Wm ap частота и длина волны, соответствующие границ фильтрации. Зависимость 1(1) представляет собой плавную кривую (фиг. 3, CdHgT с максимумом в рабочей температурно ДР точке и 0,05%/град. Такая температурная погрешность является удовлетворительной для мно гих метрологических задач. Используя один и тот же активный элемент, но применяя разные фильтры .можно произвольно выбирать область рабочих температур (фиг. 4). Тепловое края собственного поглощения и слабая температур ная зависимость пропускной способности фильтра не нарушают описанный принцип термостабилизации, Приведенные рассуждения справедл вы только для случая, когда полевая зависимость Р (Е,В) выходит в насыщение, т.е. температурная стабилизация может достигаться одновременно с полевой. Только при максимальном значении отрицательной люминесценции спектр излучения источника описывается распределением Планка и не зависит от рекомбинационных и кинетических параметров пол проводника. В слабых Е и В полях ин

Интегральная мощность излучения источника после фильтрации расчитывается по формуле тенсивность излучения находится в области и (S,t ,(,р) (S - скорость поведхностной рекомбинации; ь - время жизни; - подвиж ность злектронов и дьфок), которые в свою очередь сильно и неодинаково зависят от температуры, что в конечном итоге приводит к температурной дестабилизации. Пример 1. Активный элемент выполнен из полупроводника Cd|y.,Hggg|Te, который имеет положительный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны (i 3,5-10 эВ/град. Для фильтра с 9 мкм рабочая температура соответствует T«j,g 290 К (фиг. 4, кривая П). Этой температуре соответствует максимум кривой Рд(т). В диапазоне рабочих температур (29045) К нестабильность инте- . грального излучения источника .05%. П р и м е р 2. Активный элемент тот же, что и в примере Г. Фильтр имеет ftjp мкм, 275 К (кривая I), ,05%/град. П р и мер 3. Активный элемент тот же, 4to и в примере 1. Фильтр имеет Ид, 8.6 мкм, Т g 305 К (кри -Г. вая ill), ,05%/град. о 01 Предлагаемый источник злектромаг-, нитного излучения, сохраняя техникоэкономические преимущества известного, не содержит дорогостоящие термостатирующие устройства.

jP, отн.ед. Р(290к/ Ш ю Ф«г.5 jw;

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ по авт. св. № 1023676, отличающийся тем, что, с целью повьппения термостабильности мощности интегрального излучения в рабочем диапазоне температур, он содержит оптический фильтр коротковолнового излучения, а его активный элемент выполнен из полупроводника с положительным температурным коэффициентом ширины запрещенной зоны.