Полупроводниковый детектор излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов Советский патент 1990 года по МПК H01L31/02 

4i

ОСО со

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к полупроводниковым детекторам излучения миллиметрового и.субмиллинетрового .диапазонов, и может быть использовано в приемниках этих диапазонов.

Целью.изобретения является повышение чувствит ьности детектора.

На изображен чувствительный элемент детектора и его расположение относительно магнитного поля и детектируемого излученияJ на фиг.2 - физическая модель детектора.

Детектор содержит устройство 1 для создания магнитного поля, электрическое индикаторное устройство 2, чувствительный элемент, обладающий электронным фототермомагнитным зффектом 3, слои 4 и 5 чувствительного элемента с различными значениями эффективной массы электронов т, и га ..

Электронный фототермомагнитный (ЭФТМ) эффект заключается в появлении электродвикущей силы (ЭДС). в полупроводнике при наличии в нем градиента электронной температуры 0 и перпен- дикулярного к gradO магнитного поля (см.фиг. 1). ЭДС ЭФТМ эффекта измеря.- ется в направлении, ортогональном магнитному полю и градиенту электронной температуры. Величина ЭДС,а вмёс те с ней и чувствительность рассматриваемого детектора, определяются параметрами полупроводникового мате- риала -(величинами импульсной и энергетической частот столкновений, попе речной дифференциальной термоЭДС, эффективной массой электронов га н

т.д.), из которого изготовлен ЧУВСТ-

вительный элемент, его геометрическими размерами, а также внешними условиями - напряженностью магнитного поля Н, температурой Т, частотой падающего излучения со .

Напряженность поля ЭФТМ эффекта Б определяется выражением

Е, „„QisIziilE,

.

(1)

2а

где Фуг Фуч коэффиид ент поперечного эффекта Нернста-Эттингсгау- зена; 2а - толищна чувствительного элемента вдоль оси Z (фиг.2); 9(±а)- значекия температур электронного газа на граничных плоскостях чувствительного элемента.

. Выражение для температуры электронного газа можно получить из уравнения

0

5 О i

д

5

0

5

теплового баланса. В случае слабого разогрева и нормального скин-эффекта:

.; тщ-:т)

..(2)

где Т - температура решетки{

га - эффективная масса электрона; ,(ш,Т)-энергетическая частота столкновений;

51(т,Т)-импульсная частота столкновений.

E(Z).E, Eg - амплитуда электромагнитной

волны на грани |1 - обратная глубина затухания амплитуды электромагнитной

, -127(1 со волны ft , где

. .С

G - проводимость; С - скорость света.

Из вьфажения (2) следует, что величины температур 9 (ta) наряду с E(Z) зависят и от т, т.е. существует возможность дрпалнительно увеличить разность 9(+a)-0(j-a) за счет изменения m вдоль Z. Практическая реалиэа1о1я зтой возможности осуществляется путем изготовления чувствительного элем.ента обладанлцего ЭФТМ эффектом, а виде двухслойной структуры с различными эффективными массами электронов в слоях. Использование такого чувствительного элемента увеличивает разность температур б(+а)-0(-а) по сравнению с однородным чувствительным элементом. Это приводит согласно выражению (1) к увеличению напряженности поля ЭФТМ эффекта и повьппению чувствительности детектора.

П р и м.е р. В качестве материала двухслойной полупроводниковой структуры использован твердый раствор n-CdxH4,Te с значениями ,15 для первого слоя и Х 0,5 для второго, которым отвечают соответственно т,0,001 га, .и ш 0,08 гао.

При гелиевых температурах рассеяние импульса электронов происходит на.заряженных примесях, а энергии - на деформагц онном потенциале акустических фононов, для которых , , т.е. t-i-S+1 . В этом случае

3,до39

слою 1 (с меньшей эффективной массой) соответствует большее значение

параметра

s

и ои служит

приемной гранью устройства.

При более высоких температурах, когда доминирующими механизмами рассеяния энергии являются оптические фоноиы (), а импульса - нейтральные примеси (), величина t+S+1 и приемной гранью детектора служит слой 2 с больщей . эффективной массой.

Выполнение чувствительного элемента в виде двухслойной полупроводниковой структуры с тонким варизонным переходом между слоями и отличающи- мися в 10 раз по сравнению с однород ным элементом эффективными массами электронов в слоях позволяет в 10 раз увеличить чувствительность детектора по сравнению с прототипом, доведя ее значение кв/Вт,

Формула изобретения

1. Полупроводниковый детектор из- лучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, содержащий устройство для создания магнитного поля, чувствительный элемент, обладающий электронным фототермомагнитным эффектом и расположенный в магнитном поле волновод с входным и выходным окна19

ми, индикаторное устройство, соединенное с чувствительным элементом, отличающийся тем, что, с цепью повышения чувствительности, чувствительный элемент вьтолнен в виде двухслойной полупроводниковой структуры с разнь№П1 значениями эф- фективной массы m электронов в слоя

га

причем соотношение (-) являетm

ся наибольшим на грани, обращенной к ВЫХОДНОМУ окну волновода, где масса свободного электрона, t и S - показатели степеней в зависимостях импульсной j( и энергетической частот столкновений электронов от массы, определяемых формулами

„(п,):)„(т,)(-) ;)j(m) ,(m)(5-)

2.Детектор по п.1, отличающийся тем, что, с целью микроминиатюризации, толщина 2а двухслойного чувствительного элемента удовлетворяет неравенству

где У - глубина затухания электромагнитного излучения.

3.Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве мате- . риала двухслойной полупроводниковой структуры использован твердый раствор Cd, llg JJ Те с различными значениями

X в каждом из сдоев.

//

/

Изобретение относится к фототер- момагнитным детекторам излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Цель - повышение чувствительности, что достигается выполнением чувствительного элемента детектора в виде двухслойной полупроводниковой структуры с разными значениями эффективной массы m электронов в слоях. Приемной гранью чувствительного элемента, обращенной к выходному окну волновода, через который подается излучение, является грань с наи/ / t+34t большим параметром () .,где t и S показатели степени в зависимостях импульсной и энергетической частот столкновений электронов от массы. При указанных условиях с обычньм фото термомагнитным эффектом складывается фототермомагнитный эффект, обусловленный различием эффективной массы электронов в слоях, что приводит к повышению чувствительности. 2 э.п. ф-лы, 2 ил. г (О

/

f

Г V

I I

I

/

/

Фиг.

Составитель П. Вирюпин. Редактор 3« Трубченко Техред М.Дидык Корректор Л. Пилнпеяко

Заказ А356Тираж 450 Подписное ,

ВЕШИЛИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открыт)

U3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 45

- /

w

V/

mf

тг

(pue.Z