Способ возбуждения внешней фотоэмиссии Советский патент 1993 года по МПК H01J40/06 

(46) 07.05.93. Бюл. № 17

(21) А362957/21

1(22) 12.01.88

(72) Я.А. Оксман, И.Я. Мармур

и A.M. Тютиков

(56)Сб. Фотоприемники видимого и ИК-ди- апазонов./Под ред.Р.Дж.Киеса. М. : Радио и связь, 1985, с. 153-171.

Зарубежная электронная техника, 1984, № 8, ЦНИИ Электроника, с. 54-56,

(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ФОТО- ЭМИССИИ

(57)Изобретение служит для расширения спектрального диапазона фотоэмиссии эмиттера с прямым внешним электрическим смещением. Для этого р-п-переход полупроводниковой структуры эмиттера охлаждают до температуры, не превышающей Ы/15К, а величину прямого смеп(ения устанавливают в пределах . (Cpk-0,5l)/eHrcM :0Cj k-0T5h3)/p, при этом воздействие инфракрасного излучения осуществляют на n-обчасть ттрук- туры с энергией квантов , где К - постоянная Больцмана, Лж/к; Ь - энергия квантов ИК-излучеимя, эВ; см величина прямого смещения, В; EQ ширина запрещенной зоны п-об- ласти структуры, эВ; CfK - контактная разность потенциалов, эВ; е - заряд электрона, Кл.

Изобретение относится к обларти эмиссионной электроники и оптоэлект- роники, а более конкретно к способам возбуждения внешней фотоэмиссии в эмиттерах с отрицательным электронным сродством (ОЭС), и может быть использовано в фотоэмиссионных приборах, предназначенных для инфракрасной (ИК) области с 7i 2 мкм.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фотоэмиссии с высоким временным разрешением.

По описываемому способу ИК-излуче- ние с энергией кванта h5 K« (E о. - ширина запрещенной зоны полупроводника) направляется на n-слой сильно легированного p-n-перехода, р-область которого обладает ОЭС. В n-слое указанное излучение поглощается свободными электронами. Если при этом энергия

(Л

электронов становится достаточной для преодоления потенциального барьера p-n-перехода, выеота которого регулируется прямым смещением, то они перебрасываются через указанный барьер в р-область. Далее происходят термалнзация фотовозбужденных эпек- тронов в р-области с ОЭС и эмиссия их в вакуумо Для эффективной эмиссии необходимо, чтобы толщина р-области не превосходила диффузионную длину электронов (2-5 мкм в арсениде галлия). Сильное легирование р-области (() -1049см ) необходимо для по- лу-чения ОЭС. Сильное легирование n-области (n-v 10 8-10 см ) нробходи- мо дпя эффективного поглощения ИК-иэ- лучепия на свободных носителях и их инжекции. В целом процессы, происходящие в предложенном способе. сходны с теми, которые имеют место в ниже1 кСП&Ј

QP 4ь

О

ционном холодном катоде на р-n-перекоде, который также представляет собой сильнолегиронанный р-п-переход с тонкой (не более диффузионной длины) р-областыо, обладающей ОЭС. Однако в холодном катоде ннжекция неосновных носителей в р область с ОЭС происходит только под действием элекФотовозбужденные в n-области элект роны теряют приобретенную от света энергию за счет столкновений с холодными электронами, испускания оптических и акустических. фононов. При этом происходит разогрев решетки полупроводника и основной массы носителей за ряда. В резулътатЬ возникают две груп

трического поля, В данном способе фо „ пы электронов. Первая имеет энергию,

товозбуждение, фотоинжекция и соот- ветст,венно внешняя фотоэмиссия происходят по д действием излучения с длинами волн, лежащими в ИК-области спектра. Сечение поглощения на свободных электронах пропорционально квадрату длины волны; таким образом, с увеличением длины волны при соответствующем увеличении смещения .He должно происходить уменьшения квантового выхода фотоэмиссии о При облучении n-слоя в фотоинжекции могут принимать участие какфотоносители с энергией, близкой к энергии кванта (быстрый.квантовый процесс фотопереброса) , так и носители, температура которых близка к температуре разогретой решетки. Дпя обеспечения высокого временного разрешения фотоэмиссии необходимо исключить участие последних в инжекции. Охлаждение способствует подавлению инерционного сигнала, обусловленного разогревом решетки. Темно вой ток инжекции определяет контраст - отношение эмиссии при фотостимуляции к темновой,- Без охлаждения при большом темповом токе (малой высоте барьера) малый контраст снижает пороговую чувствительность способа. Условие для предельной верхней рабочей температурь им,еет вид 15 kTЈVv5 , где kT - тепловая энергия носителей. Это условие .проверялось экспериментально при исследовании фотоинжекции в p-n-переходах и вытекает из необходимости подавления теплового сигнала и получения приемлемого контраста. Условие для предельной нижней рабочей температуры может

ЙЕ .ОК

15

20

25

35

40

45

быть записано в виде Т

(UE 50

превышающую температуру решетки, а вторая группа - близкую к ней. Время релаксации по энергии первой группы электронов меньше 10 с, в то время как поведение электронов второй группы определяется медленным процессом нагрева и остывания кристаллической решетки. Фотоэмиссия с высоким времен ным разрешением имеет место в том случае, если в фотоинжекции принимает участие лишь первая группа электронов что определяется высотой потенциального барьера p-n-перехода и температурой. Это и обуславливает выбор граничных условий. Высота барьера не должна превосходить энергию кванта излучения, чтобы была возможна фотоин жекция, а следовательно, и фотоэмис1- сия в вакуум. Этому служит граничное

30 условие UrM см

, где (j - контакт ная разность потенциалов; е - заряд электрона. Чем больше длина волны ИКг излучения, тем меньше должна быть высота потенциального барьера. Таким образом, спектральный диапазон фотоэмиссии определяется высотой потенциального барьера, т„е. прямым смещением, приложенным к р-п-переходу, В то же время высота потенциального барьера должна быть такой, чтобы исключить участие в фотоинжекции электронов, температура которых близка к температуре кристаллической решетки, иначе фотоэмиссия будет обладать большой инерционностью. Этому слу-

en.ibdbM

жит.условие

которым

С)И - е

рабочие сме1чония ограничиваются фау- леропской областью - интервалом энергий, исключающих эмиссию тепловых электронов (вторая группа) из п-слоя При использовании заявляемого способа может быть достигнуто высокое пространственное разрешение изображения благодаря тому, что на приемной площадке не возникает ,тепловой рельеф, расплывание которого снижает указанное разрешение. Заявляемый спо55

энергия ионизации примеси в полупроводнике; К - постоянная Больцмана) и вытекает из того, что в данном способе активное поглощение происходит на свободных электронах, которые могут быть в п-спое лишь нрк ионизации примеси,

Фотовозбужденные в n-области электроны теряют приобретенную от света энергию за счет столкновений с холодными электронами, испускания оптических и акустических. фононов. При этом происходит разогрев решетки полупроводника и основной массы носителей заряда. В резулътатЬ возникают две груп5

0

5

5

40

45

50

55

т превышающую температуру решетки, а вторая группа - близкую к ней. Время релаксации по энергии первой группы электронов меньше 10 с, в то время как поведение электронов второй группы определяется медленным процессом нагрева и остывания кристаллической решетки. Фотоэмиссия с высоким временным разрешением имеет место в том случае, если в фотоинжекции принимает участие лишь первая группа электронов, что определяется высотой потенциального барьера p-n-перехода и температурой. Это и обуславливает выбор граничных условий. Высота барьера не должна превосходить энергию кванта излучения, чтобы была возможна фотоин- жекция, а следовательно, и фотоэмис1- сия в вакуум. Этому служит граничное

0 условие UrM см

, где (j - контактная разность потенциалов; е - заряд электрона. Чем больше длина волны ИКг излучения, тем меньше должна быть высота потенциального барьера. Таким образом, спектральный диапазон фотоэмиссии определяется высотой потенциального барьера, т„е. прямым смещением, приложенным к р-п-переходу, В то же время высота потенциального барьера должна быть такой, чтобы исключить участие в фотоинжекции электронов, температура которых близка к температуре кристаллической решетки, иначе фотоэмиссия будет обладать большой инерционностью. Этому слу-

en.ibdbM

жит.условие

которым

С)И - е

рабочие сме1чония ограничиваются фау- леропской областью - интервалом энергий, исключающих эмиссию тепловых электронов (вторая группа) из п-слоя. При использовании заявляемого способа может быть достигнуто высокое пространственное разрешение изображения благодаря тому, что на приемной площадке не возникает ,тепловой рельеф, расплывание которого снижает указанное разрешение. Заявляемый способ возбуждения внешней фотоэмиссии с высоким временным и пространственным разрешением в ИК-области основан на возбуждении малоинерционного1 фото- инжекционного тока0 Экспррименталь- ные данные, подтверждающие существенность приведенных значений для граничных условий для решений поставленной задачи, были попучены на основании исследования фотоинжекционного ч тока в различных р-п-переходах„

Пример 1 Объекты измерения - германиевые и арсенид-галлиетаве фотоинжекционного тока начинает преобладать. Так, при смещении «-0,66 В для германиевых р-п-переходов фотоответ на частоте 1 кГц ухе пример- 5 но на порядок превосходит сигнал на частоте 10 кГц

П р и м е.р Температура охлаждения 90 К, что соответствует условию 15 ) при h)0,M7 эВ СХ 10,6 мкм). Прямое смещение «- 0,54 В (германиевые p-n-п ер входы) , что соот-1

JK-hl е

10

ветствует условию II

гм

(If

вые p-n-переходы. Длина волны ИК-из- ,5 0,66 В при К), В этих условиях

лучения 10,6 мкм (,117 эВ), Температура охлаждения 77 К. Прямое смещение 0,56 В для германиевых (lfKc:0,677B при К) и-,38 В для

возникал фотоответ. Величина сигнала на частоте 1 кГц состаляла примерно 110% по отношению к сигналу на частоте 10 кГц, что свидетельствует о наарсенид-галлиевых p-n-переходов, что 20 чальном проявлении инерционного (тепсоответствует условию U

.МЧИэлового) компонента в составе фотоин- жекцигнного тока, который ведет к ухудшению временного разрешения фото- эмисгии.

см е

мерялось напряжение, создаваемое фо- тоинжекционным током на сопротивлении нагрузки в цепи р-п-перехода. При 25 Пример 3 иллюстрирует гранич- указанных условиях наблюдалось воз- ное значение температуры охлаждения никновенне фотоответа. Его величина

и нижнее граничное значение прямого смещения для указанной температуры.

была постоянной на частотах 1-10 кГц,

что свидетельствует о малой инерцион- При пошшекин температуоы инерционности в указанном частртном диапаэо- 30 ный компонент в составе фотоннжекционне. При меньших смещениях фотоответ отсутствовал

Пример 1 иллюстрирует нижнее граничное значение интервала прямых смещений при наиболее удобной для работы температуре жидкого азота.

Пример 2. Объекты измерений, длина волны возбуждающего излучения, температура охлаждения те же, что в примере 1. Прямое смещение 0,62 В для германиевых и 1,45 В для арсе- нид-галлиевых p-n-переходов, что соCfn-O.Sftj)

Фотоответ падает с ростом частоты до Ч0 кГц, оставаясь в дальнейшем постоянным до 10 кГц. Величина сигнала на частоте 1 кГц составляла примерно

35

40

ответствует условию UCM -

45

ного тока начинает преобладать,

Пример 4,Температура охлажде - ния 90 К. Прямое смещение лл), 6 В (германиевые p-n-переходы), что соответствует условию IL - .-..... ,

М G

Фотоответ падает с ростом частоты до -15 кГц, оставаясь в дальнейшем неизменным до 104 кГц. Величина сигнала на частоте 1 кГц составляла примерно 130% по отношению к сигналу на частоте 10 кГц, что свидетельствует о начальном проявлении инерционного (теплового) компонента в составе фотоинжекционного тока.

Пример 4 иллюстрирует граничное значение температуры охлаждения и

Пример 4 иллюстрирует граничное значение температуры охлаждения и

120% по отношению к сигналу на частоте 10 кГц0 Таким образом, в соста- ,Q верхнее граничное значение прямого ве фотоинжекционного тока начинает смещения для указанной температуры. проявляться инерционный (тепловой) компонент, который ведет к ухудшению временного разрешения фотоэмиссии.

При повышении температуры и увеличении прямого смещения относительно указанных граничных значений инер- Пример 2 иллюстрирует верхнее гра- „ ционный (тепловой) компонент в состаничное значение интервала прямых сме- -- А

щениЙ при температуре жидкого азота.

ве фотоинжекционного тока, который ведет к ухудшению временного разрешения фотоэмиссии, начинает преобладать.

При дальнейшем увеличении прямого смещения инерционный компонент в сос49400

таве фотоинжекционного тока начинает преобладать. Так, при смещении «-0,66 В для германиевых р-п-переходов фотоответ на частоте 1 кГц ухе пример- 5 но на порядок превосходит сигнал на частоте 10 кГц

П р и м е.р Температура охлаждения 90 К, что соответствует условию 15 ) при h)0,M7 эВ СХ 10,6 мкм). Прямое смещение «- 0,54 В (германиевые p-n-п ер входы) , что соот-1

JK-hl е

10

ветствует условию II

гм

(If

0,66 В при К), В этих условиях

возникал фотоответ. Величина сигнала на частоте 1 кГц состаляла примерно 110% по отношению к сигналу на частоте 10 кГц, что свидетельствует о на20 чальном проявлении инерционного (теплового) компонента в составе фотоин- жекцигнного тока, который ведет к ухудшению временного разрешения фото- эмисгии.

25 Пример 3 иллюстрирует гранич- ное значение температуры охлаждения

Пример 3 иллюстрирует гранич- ное значение температуры охлаждения

и нижнее граничное значение прямого смещения для указанной температуры.

ного тока начинает преобладать,

Пример 4,Температура охлажде - ния 90 К. Прямое смещение лл), 6 В (германиевые p-n-переходы), что соответствует условию IL - .-..... ,

М G

Фотоответ падает с ростом частоты до -15 кГц, оставаясь в дальнейшем неизменным до 104 кГц. Величина сигнала на частоте 1 кГц составляла примерно 130% по отношению к сигналу на частоте 10 кГц, что свидетельствует о начальном проявлении инерционного (теплового) компонента в составе фотоинжекционного тока.

Пример 4 иллюстрирует граничное значение температуры охлаждения и

верхнее граничное значение прямого смещения для указанной температуры.

-- А

ве фотоинжекционного тока, который ведет к ухудшению временного разрешения фотоэмиссии, начинает преобладать.

Формула изобретения

Способ возбуждения внешней фотоэмиссии, включающий воздействие инфракрасного излучения на эмиттер с прямым внешним электрическим смещением, выполненный в виде многослойной полупроводниковой структуры, у которой поверхность эмиттирующего р-слоя активирована до состояния отрицательного электронного сродства, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона фотоэмиссич с высоким временным разрешением, p-n-переход полупроводниковой структуры охлаждают до -температуры, не превышающей hVlSK, а величину прямого смещения устанавпределах

1Гк-0,5Ы

ие„

при этом воэдеЙствие инфракрасного излучения осуществляют на n-область структуры с энергией квантов

Г

5

где К - постоянная Больцмана, Лж/Х; hv - энергия квантов ИК-излучония, эВ;

ис(и- величина прямого смещения, В; Е„ - иирина запрещенной зоны n-области структуры, эВ; контактная разность потенциалов, эВ; е - заряд электрона, Кл.

Ч

к