Способ малоинерционной регистрации инфракрасного излучения Советский патент 1993 года по МПК G01J5/20 

Изобретение относится к полупроводниковой аоптоэлектронике, в частности к способам регистрации инфракрасного (ИК) излучения

Цель изобретения - расширение спектрального диапазона регистрируемого излучения в длинноволновую область спектра.

Способ малоинерционной регистрации инфракрасного излучения основан на применении одного из типов интенсивно развивающихся в настоящее время транзисторов на горячих электронах, которые являются одними из самых быстродействущих приборов

Для регистрации излучения должны быть использованы транзисторы с двуслойным эмиттером в виде п - n-перехода В этих транзисторах в эммитере имеется сильно легированная п -область где ИК излуче- НИР может поглощаться свободными

электронами. Эта область отделена от металлической базы тонким слаболегированным n-слоем Условие п+ ппл(п v) связывает длину волны регистрируемого излучения с максимально возможной концентрацией свободных электронов всильнолегированной области эмиттера. Здесь п+-концентрация свободных электронов в сильнолегированной области эмиттера, пПл0тс)- концентрация электронов, соответствующая плазменному отражению регистрируемого излучения. Указанное условие вытекает из того, что в ИК-области спектра наблюдается аномальная дисперсия коэффициента отражения R полупроводника. Минимальное значение п+ отвечает 10 см , так как при меньших концентрациях мало поглощение на свободных носителях. Регистрируемое излучение при поглощении свободными электронами в п+-обла- сти сообщает им энергию равную энергии

18

о

Os

ю

N) 4D

фотона. Разогретые светом электроны движутся к барьеру эмиттер-база и те из них, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера р- еУгм со стороны полупроводника, переходят в металлическую базу и затем в коллектор (Уем напряжение смещения эмиттера в прямом направлении, pk - высота потенциального барьера эмиттер-база со стороны полупроводника при нулевом смещении, е- заряд электрона).

Таким образом, высота потенциального барьера эмиттер - база со стороны полупроводника определяет диапазон длин волн регистрируемого излучения. Чем больше длина волны регистрируемого излучения (меньше энергия кванта), тем меньше должна быть высота потенциального барьера и, соответственно, тем больше должно быть прямое смещение. На пути к границе полу- проводник - металл фотовозбужденные электроны должны преодолевать барьер на границе между п -областью и n-слоем. Высота этого барьера, регулируемая температурой, равна

.+

kiln

где k - постоянная Больцмаиа;

Т - рабочая температура;

п - концентрация свободных электронов в слаболегированном слое эмиттера.

Таким образом, смысл условия Т

hv

х- сводится к ограничению высоты

klnn Vn

барьера р0 энергией кванта излучения h v, Для регистрации излучения выбирают транзистор, толщина слаболегированного слоя эмиттера которого dn удовлетворяет условию dn 1э(г1 v), где I3(h v) - длина рассеяния энергии фотовозбужденных электронов. В противном случае фотоэлектроны на могут преодолеть барьер на границе с метал- лической базой.

Условие для рабочей температуры проверяли на германиевых п+-п-переходах, изготовленных вплавлением сплава олова с сурьмой и фосфором в подложки с п п10 см . При этом в сильно легированной рекри- сталлизованной п+-области nf 1Q1 . Измерения проводили в специальном криостате с регулируемой температурой. Излучение 10,6 мкм направляли на п -область. Сигнал снимали с сопротивпения нагрузки, смещение на п -n-переход не подавали. На исследованных образцах наблюдали резкий рост малоинерционного сигнала в условиях KOI да температура становилась ниже 140К При

0 5

0

р.

0 5

0 5

этой температуре высота барьера п+-п-пере- хода примерно равна энергии лазерного кванта 0,117 эВ.

Использование изобретения по сравнению с прототипом позволяет расширить спек- тральный диапазон регистрируемого излучения в средне- и длинноволновую ИК область не менее, чем до 10 - 15 мкм.

Регулируя величину напряжения CMeaie- ния эмиттера в прямом направлении, можно управлять спектральным порогом фотоответа.

Действительно, при соблюдении услоfc - hv

спектральный порог совия DCM

ответствует длине волны регистрируемого излучения с энергией кванта h v. При этом регистрируется как излучение с энергией кванта h v, так и излучение с большими энергиями кванта, т. е. с более короткими длинами волн. При меньших UCM, т. е. при DCM

«к - hv .

г--2- фотоответ на требуемой длине волС

ны с энергией кванта hv не возникает - спектральный порог лежит в более коротковолновой области спектра. При больших

UCM, т. е. при исм -д- фотоответ мо

жет возникать как на длине волны с энергией кванта hv , так и на больших длинах волн, т.е. спектральный порог лежит в более

длиньоволновой области.

Формула изобретения

1. Способ малоинерционной регистрации инфракрасного излучения, включающий освещение транзистора со структурой полупроводник - металл - полупроводник регистрируемых излучением с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, подачу обратного смещения на коллектор, определение интенсивнрсти и временных характеристик инфракрасного излучения потоку в цепи коллектора, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона регистрируемого излучения в длинноволновую область спектра, используют транзистор, у которого концентрация электронов в сильнолегированной области эмиттера лежит в пределах

1018см-3

п

Ппл(Г1 I ).

толщина слаоолегированного слоя эмиттера удовлетворяет условию

dn U(h v).

при этом излучение направляют на сильно- легированную область эмиттера, а рабочую температуру выбирают из условия

где Ппл(п v ) - концентрация электронов, соответствующая плазменному отражению регистрируемого излучения;

n+, n - концентрации свободных электронов в сильнолегированной области эмиттера и слаболегированном слое эмиттера соответственно;

dn - толщина слаболегированного слоя эмиттера;

1э(п v) - длина рассеяния энергии фотовозбужденных электронов;

Т - рабочая температура;

hv - энергия кванта регистрируемого излучения;

k - постоянная Больцмана.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью управления спектральным порогом фотоответа, на эмиттер подают напряжение смещения в прямом направлении в соответствии с условием

UCM

где UCM - напряжение смещения в прямом направлении;

(pk - высота потенциального барьера эмиттер-база со стороны полупроводника при нулевом смещении эмиттера;

е - заряд электрона.

Изобретение относится к способу регистрации инфракрасного излучения Цель изобретения - расширение спектрального диапазона регистрируемого излучения в длинноволновую область спектра и управление спектральным порогом фотоответа - достигается путем выбора в качестве приемника транзистора со структурой полупроводник - металл - полупроводник с определенными в соответствии с расчетным и формулами концентрацией электронов в сильнолегированной области эмиттера и толщиной слаболегированного слоя эмиттера. При этом излучение направляют на силь- нолегированную область эмиттера, а рабочую температуру выбирают в соответствии с расчетной формулой. Спектральный порог фотоответа определяется выбором величины напряжения смещения эмиттера в прямом направлении. 1 з.п ф-лы сл С