Детектор линейно-поляризованного излучения
Иллюстрации
Реферат
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ 67! 634
Союз Соеетских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 12.08.77 (21) 2516701/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет
Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41
Дата опубликования описания 07.11.80 (51) М. Кл.
Н 01 L 31/04
G 01 Т l/24
Государстеенный комитет (53) УДК 621.387.462 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения (71) Заявитель
Ю. В. Рудь и Г. А. Медведкин
Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (54) ДЕТЕКТОР ЛИ НЕЙ НО-ПОЛЯРИЗОВАННОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к электромагнитному излучению, и может быть применено для детектирования линейнополяризованного излучения во всей спектральной области чувствительности прибора.
Известно большое число полупроводниковых фотоэлектрических приборов на изотропных материалах, преобразующих электромагнитное излучение в широком спектральном диапазоне в сигналы электрического тока; фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и другие. Столь большая группа приборов, использующих огромный набор различных материалов таких, как, например, элементы IV-й группы (Ge, Si, алмаз), соединения Ш вЂ” V, твердые растворы на их основе, халькогенидные стеклообразные полупроводники и др., позволяет регистрировать только амплитуду падающего излучения. Это связано с тем, что оптические переходы в изотропных кристаллических и аморфных полупроводниках происходят с равной вероятностью при любой поляризации падающего на них излучения. Поэтому все разработанные к настоящему времени фотоэлектрические приборы используются только с целью регистрации интенсивности падающего на них электромагнитного излучения (1), 2
Поскольку при исследовании их спектров фоточувствительности не была обнаружена зависимость фотоответа от поляризации, то до настоящего времени такие приборы
5 на изотропных полупроводниках считаются нечувствительными к поляризации излучения. По этой причине в литературе до сих пор даже не обсуждалась возможность непосредственнбго детектирования линейно)О поляризованного излучения (ЛПИ) по фотоответу этих приборов.
В качестве примера таких приборов можно назвать германиевые и кремниевые серийные фотодиоды и фототранзисторы, 15 фотодиоды из арсенидов индия и галлия, гетерофотодиоды в системе твердых растворов Al — Ga — As u Ga — As — P, фоторезисторы на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников. Рассмотрим
20 кратко некоторые основные типы фотоэлектрических приборов. Наиболее распространенными промышленными фоторезисторами является ФС-АI, ФС-А4, ФС-А5, ФСБ-2 и т. д. Для этоготипаприборов пас25 портными данными является спектральная чувствительность, пороговая чувствительность, интегральная чувствительность и т. д, О поляризационной чувствительности какие-либо сведения отсутствуют,(2). Для
Зо фотодиодов, например, ФД-l,ФД-З,ФДК-1, 671634
ЛФД-2 и для фототранзисторов ФТ-I, ФТ-2, изготовленных на кристаллах германия и кремния, в паспортных данных также фигурируют такие параметры, как спектральная чувствительность, интегральная чувствительность, рабочее напряжение, коэффициенты усиления, умножения и т. д. Какие-либо указания о возможностях их использования для детектирования поляризованного излучения отсутствуют (3).
Таким образом, недостатком существующих фотоэлектрических приемников из изотропных как кристаллических, так и аморфных полупроводников является их нечувствительность к линейной поляризации электромагнитного излучения.
Известен также фотоприемник, чувствительный к линейной поляризации электромагнитного излучения (4).
Такой фотоприемник изготовлен на основе ориентированного полупроводникового оптически анизотропного монокристалла, например CdGeP, или других анизотропных полупроводников типа II — IV—
У и содержит энергетический барьер.
Величина фотонапряжения на контактах фотоприемника зависит от поляризации
-+ + света, например, для CdGeP при Е II С фотонапряжение максимально, при Е.1 С фотонапряжение минимально (Š— элек+ трический вектор светового излучения; С— единичный вектор вдоль оптической оси монокристалла).
Недостатками такого фотоприемника являются большая стоимость исходного материала, получаемого пока только в лабораторных условиях; малые размеры получаемых монокристаллов и необходимость в трудоемкой ориентации каждого из. них; невозможность осуществления массового производства приборов, вследствие недостаточной разработки технологии выращивания анизотропных полупроводниковых материалов; ограниченная спектральная область поляризационной чувствительности фотоприемника; непостоянство степени поляризационной чувствительности и невозможность ее изменения при различных длинах волн излучения.
С целью получения нового типа детекторов
ЛПИ .в качестве детекторов ЛПИ используют известные фотоприемники на основе изотропных кристаллических и аморфных полупроводников (например, Si, Ge, CraAs, CdTe, твердых растворов на их основе, халькогенидных стеклообразных полупроводников и др.), которые производятся промышленностью в широких масштабах.
В основу предлагаемого изобретения положено известное явление анизотропии отражения электромагнитной волны, воз5
25 зо
4 никающей при наклонном падении луча на поверхность изотропного материала. Явление состоит в том, что излучение с направлением электрического вектора Е электромагнитной волны, перпендикулярным плоскости падения, при n)np — — 1, где и н пав показатели преломления изотропного материала и воздуха, соответственно, отражается сильнее, чем излучение с направлением Е, параллельным плоскости падения.
Поэтому в изотропном материале сильнее поглощается волна с направлением Е, параллельным плоскости падения луча, чем волна с Е, перпендикулярным плоскости падения.
Установлено, что концентрация генерированных в изотропном материале носителей заряда в результате анизотропии поглощения оказывается зависящей от линейной поляризации падающей волны. По этой причине фотоответ, наведенный электромагнитным излучением в изотропном однородном материале либо в барьерной структуре на его основе позволяет непосредственно анализировать ЛПИ, поскольку фотоответ пропорционален концентрации генерированных в материале носителей заряда.
На фиг. 1 показано расположение фотоприемника по отношению к падающему излучению; на фиг. 2 — азимутальное распределение фотоответа (фотонапряжения, фототока) фотоприемника при изменении направления плоскости поляризации по отношению к плоскости падения излучения; на фиг. 3 — угловое распределение степени поляризационной чувствительности.
Детектор ЛПИ (фиг. 1), например, вслучае применения фоторезистора, представляет собой пластину 1 из изотропиого полупроводникового материала с двумя электрическими контактами 2. Рабочая поверхность пластины 1 расположена под углом а к направлению падения излучения.
Применение фотоприемников в качестве детекторов ЛПИ осуществляется при расположении их рабочей поверхности под углом 0(а(90 к направлению падения излучения. Излучение с направлением электрического вектора Е, параллельным к плоскости падения EOZ луча (фиг. 1) создает фотоответ, больший по величине, чем излучение с Е 1 XOZ. При изменении направления плоскости поляризации падающего излучения фотоответ на контактах фотоприемника изменяется по закону (см. фиг, 2):
Ф(y) = Ф соз у+ Ф1 sing, где V — угол между E и OZ, 671634
50
Ф о и Ф вЂ” значения фотоответа при
Е//ОХ и Е О, соответственно.
Степень пол яризацион ной чувствительности Р, как было установлено авторами заявки, зависит от угла наклона а, коэффициента преломления и изотропного полупроводникового материала и описывается выражением (см. фиг. 3):
) n — Slll2а — и COS а (а) =-„, .
+ pn — 81П2а + nCOS x
Как было установлено, величина Р (а) практически постоянна во всем диапазоне чувствительности фотоприемника и может быть плавно изменена простым поворотом фотоприемника на угол а.
Пример ы детекторов Л П И.
Для детектирования ЛПИ в лаборатории физико-химических свойств полупроводников ФТИ АН CCP им. А. Ф. Иоффе применялись следующие фотоприемники: а) кремниевый фотодиод ФД-3 в бескорпусном варианте (область спектральной чувствительности 1,0 — 1,7 эВ); б) фотосопротивление на основе и — CdTe (область спектральной чувствительности 1,4—
2,0 эВ); в) гетерофотоэлемент на основе твердого раствора в системе А1 — Ga — As (область спектральной чувствительности
1,3 — 2,7 эВ) . Степень поляризационной чувствительности для таких фотоприемникс1в достигает 50 — 60 /о. При оптимальных угЛах наклона а=60 — 70 степень поляризационной чувствительности фотоприемников была высокой и лежала в диапазоне
P =30 — 40о/о
Наряду с этим фотоприемники по предлагаемому изобретению позволяют детектировать ЛПИ в спектральной области от у-лучей до СВЧ-диапазона. Так, например, фотоприемники из кремния и германия детектируют ЛПИ в оптическом и рентгеновском диапазонах, а фотоприемники на основе Si u CdTe — ядерное у-излучение.
Важно заметить, что применение детекторов ЛПИ в рентгеновской и ядерной областях спектра является актуальнейшей задачей, поскольку в настоящее время вообще не существует детекторов ЛПИ на эти области спектра, а потребность в них очень велика.
Применение известных фотоприемников на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов ЛПИ стало возможным благодаря обнаруженной авторами зависимости степени поляризационной чувствительности фотоприемников от угла наклона рабочей поверхности по отношению к плоскости падения излучения.
Предложение использовать известные фотоприемники на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов ЛПИ имеет значительные преимущества, так как не требует каких-либо изменений в конструкции выпускаемых промышленностью фотоприемников, производство которых налажено в широких масштабах. Кроме того, применение таких детекторов повышает относительно существующих следующие физические параметры: расширяет диапазон поляризационной чувствительности; увеличивает степень поляризационной чувствительности и обеспечивает ее постоянство по спектру; дает возможность целенаправленно и просто изменять степень поляризационной чувствительности фотоприемников.
Основное значение предлагаемого изобретения состоит в том, что его применение дает возможность использовать известные и широко выпускаемые промышленностью типы фотоприемников в совершенно новой для них функции.
Экономический эффект от применения фотоприемников на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов ЛПИ связан с количеством выпускаемых промышленностью приборов этого типа и потребностями науки и различных отраслей народного хозяйства в предлагаемых детекторах. Поскольку применение предлагаемого изобретения позволит значительно улучшить и расширить функциональные возможности как экспериментальных, так и выпускаемых промышленностью приборов и систем, использующих ЛПИ, экономия от его внедрения должна быть велика. По ориентировочным оценкам эта экономия может достичь 5 — 10 млн. руб.
Формула изобретения
Применение фотоприемника на основе изотропного полупроводникового материала в качестве детектора линейно-поляризованного излучения.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Шайв Дж. Н. Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов.
M., Госэнергоиздат, 1963, с. 171 †2.
2. Коломиец Б. Т. Фотосопротивление, Л., 1956, с. 9.
3. Мосс Т. и др. Полупроводниковая оптоэлектроника. М., «Мир», 1976, с. 281—
399.
4. Авторское свидетельство
М 516321, кл. Н 01 1 31/00, 1976.
671634 и-1
2. n+ 1
Составитель И. Авчиев
Техред А. Камышникова Корректор С. Серобаба
Редактор Е. Месропова
Типография, пр. Сапунова, 2
Заказ 2527/1 Изд. № 578 Тираж 857 Подписное
НПО «Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытый
113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5