Способ измерения мощности электромагнитного излучения и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК H01L31/08 

Изобретение относится к измерительной технике а именно к полупроводниковым фотоприемникам, предназначенным для измерения мощности и временных характеристик лазерного излучеиу(я ИК- диапазона.

Известен способ измерения мощности электромагнитного излучения, основанный на поглощении измеряемого излучения полупроводником с рождением при этом пары электрон-дырка с последующим их разделением в поле р-п перехода ИЛИ в области барьера Шоттки, образованного в месте контакта металл-полупроводник. Фотрприемники, осуществляющие этот способ, отличаются малыми рабаритами, низкими питающими напряжениями, широким спектральным диапазоном 1.

Недостаток этих фотоприемников большая постоянная времени.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения мощности электромагнитного излучения, при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей.вне области собственного поггощения полупроводника, направляют на изготовленный из этого полупроводника детектор, из-.

меряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от-деления фотоотклика на фоточувствительность . детектора.

в этом способе облучают электромагнитным излучением полупроводниковую пластину и измеряют фото-ЭДС, которая воз| икает в результате поглощения электромагнитного излучения

10 свободными носителями полупроводниковой пластины с передачей им импульса электромагнитной волны.

Известен полупроводниковый фотоприемник, реализукяций указанный спо15соб, выполненный в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала 2.

Известный способ и полупроводни20ковый фотоприемник для его осуществления из-за малой величины поглощения обеспечивает недостаточно высокую чувствительность, в частности при измерении импульсов СО2- лазера

25 порядка 10- 10 В/Вт.

Кроме того, согласно известному способу, время отклика полупроводникового фотоприемника определяется j временем распостранения излучения по 30 полупроводнику. Поскольку длина полупроводниковой пластины составляет несколько сантиметров, это соответствует времени отклика f . Существующие лазеры генерируют импульсы пикосакундной длительности, что требует уменьшения.Т детекторов по край ей мере на порядок.

Цель изобретения - повышение чувствительности и уменьшение времени отклика.

Эта цель достигается тем, что согласно способу измерения мощности элек .тромагнитного излучения, при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изготовленный из этого полупроводника детектор, измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от деления фотоотклика на фоточувствительность детектора, выбирают полупроводник с Частотой плазменного отражения выше частоты измеряемого излучения,излучение направляют на туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в качества фотортклика измеряют изменение сопротивления туннельного перехода.

Устройство для измерения мощности электромагнитного излучения выполнено в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала, при этом полупроводниковая пластина изготовлена из сильнолегированного полупроводника, .а один из контактов выполнен в виде туннельного перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки, причем слойметалла полупрозрачен для измеряемого излучения.

На чертеже приведена схема полупроводникового детектора излучения.

Детектор состоит из полупроводниковой пластины 1 из сильнолегированного полупроводника, омического 2 и туннельного 3 металлических койтактов, причем контакт 3 является полупрозрачным для измеряемого излучения.

Физические процессы, лежащие в основе предлагаемого способа измерения мощности электромагнитного излучения и устройствадля его осуществления, можно описать следующим образом.

В полупроводнике вблизи границы, с металлом образуется потенциальный барьер Шоттки, что приводит к обра уованию обедненного носителями слоя и смещению границы электронного газа вглубь от поверхности полупроводника. Длина обедненного слоя, т.е. толщина потенциального барьера Шоттки, определяет вероятность туннелирования электронов через барьер Шоттки, а следовательно, сопротивление туннельного контакта металл-полупроводник.

Пусть на туннельный контакт металлполупроводник падает электромагнитное

излучение перпендикулярно границе раздела между полупроводником и мв таллом. Если частота этого излучения ниже частоты плазменного отражения для данногополупроводника, то про,исходит эффективное отражение излучения от электронного газа полупроводйика, что сопровождается передачей импульса излучения электронам (световое давление) и(Соответственно приводит к смещению границы электронного газа (увеличению длины обедненного слоя) . Последнее влечет за собой изменение туннельного сопротивления контакта металл-полупроводник.

Для измерения фотоотклика такого детектора используют обычную электрическую схему, включающую в себя последовательно соединенные детектор, сопротивление нагрузки, источник ЭДС. При этом на сопротивлении нагрузки измеряют изменение напряжения, вызванное изменением сопротивления детектора (туннельного контакта) под действием электромагнитного излучения и вычисляют мощность как частное от деления величины изменения напряжения на сопротивлении нагрузки к величине чувствительности.

Одним из основных преимуществ предлагаемого способа измерения мощности электромагнитного излучения по сравнению с известным на основе эффекта увеличения электронов фотонами является более высокая чувствительность. Расчеты показывают, что при размерах приемной площашки, обеспечивающих равное с известным способом быстродействие, чувствительность может быть выше на два порядка. Умейьшая диаметр приемной площадки, можно увеличить быстродействие, отношение же чувствительности к постоянной времени остается при этом неизменным.

К преимуществам данного способа относится также возможность использования планарной технологии изготовления туннельных контактов. На поверхность полупроводниковой пластины (толщина ее может быть 10 мкм) наносится тонкий слой металла, а затем с помощью фотолитографии лишний металл удаляют, оставляя на поверхности пластины металлические кружки нужного диаметра. Поскольку для обеспечения оптимальных параметров детекторов диаметр таких кружков должен составлять десятки или единицы микрон-, таких кружков-контактов на 1 см поверхности полупроводниковой пластины может быть более 1000 штук, что позволяет, в принципе, с помощью такой матрицы детекторов измерять распределение энергии по площади пучка.

Кроме того, благодаря малым размерам предлагаемого детектора на основе туннельного контакта М5талл-полупроводник при современной технологии

имеется возможность совместить в одном полупроводниковом.кристалле детектор и усилитель электрического-сигнала.

Формула изобретения с

I. Способ измерения мощности электромагнитного излучения,при котором измеряемое излучейие с частотой,лежащей вне области собственного поглощения полупроводника,направляют на изго- 10 товленный из этого полупроводника детектор/измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность,как частное от деления фотоотклика на фоточувствительность детектора,о тличающий-15 с я тем,что,с целью повышения чувствительности и уменьшения времени отклика, выбирают полупроводник с частотой плазменного отражения выше частоты измеряемого излучения,излучение HanpaB-jQ ляют на туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в.качестве фотоотклика измеряют изменение сопротивления туннельного перехода.

2. Устройство для измерения мощности электромагнитного излучения, выполненное в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала, отличающееся тем, что полупроводниковая пластина изготовлена из сильнолегированного полупроводника, а один из контактов выполнен в виде туннельного перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки, причем слой металла полупрозрачен для измеряемого излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М,, Наука, 1968, с. 22-31.

2.Рывкин С.М. и Ярошецкий Н.Д. Увеличение электронов фотонами в полупроводниках. Проблемы современной физики. Сб. статей к 100-летию Иоффе А.Ф. Ленинград, Наукау 1980, с. 173-184 (прототип).

К усилителю

J 1