CC BY
103
УДК 621.382:681.17
Р. У. Алиев
Андижанский госуниверситет, Андижан, Узбекистан
Н.Р. Рахимов СГГА, Новосибирск Э.К. Мухтаров
Андижанский госуниверситет, Андижан, Узбекистан Е.Ю. Кутенкова СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В данной работе предложен и физически обоснован способ измерения плотности потока ИК-излучения в широком диапазоне мощности с использованием кремниевых фотоэлектрических структур.
R. U. Aliyev, N.R. Rakhimov, E.K. Mukhtarov, E. Yu. Kutenkova Andizhan state university, Uzbekistan SSGA, Novosibirsk
RESEARCH OF SILICON PHOTOELECTRIC STRUCTURES USED AS OPTICAL RADIATION RECEIVERS
The authors present physical basis for the techniques of measuring IR radiation flux density in the wide power range by means of silicon photoelectric structures.
Разработка полупроводниковых приемников оптического излучения (ПОИ) с высокой чувствительностью и быстродействием для специализированных задач является актуальной прикладной проблемой оптико-электронного приборостроения [1]. В области ближнего ИК-излучения (X < 1,5мкм) успешно применяются разнообразные ПОИ.
По принципу действия и изготовления ПОИ можно разделить на три большие группы (рис. 1) полупроводниковые (фотонные), тепловые (неселективные), фотоэлектронные и фотоемкостные. К тепловым относят радиационные, оптико-акустические, диэлектрические, металлические и криогенные болометры. Радиационные ПОИ, использующие термоэлектрические эффекты (термоэлементы); оптико-акустические ПОИ, основанные на расширении объема газа в результате его нагрева падающим излучением, диэлектрические (сегнетоэлектрические, пироэлектрические) ПОИ, использующий явление изменения спонтанной или обычной поляризации в пироактивном кристалле (диэлектрике) и появление несвязанных электрических зарядов в результате механических деформаций, при
неравномерном нагреве кристалла. К тепловым ПОИ относятся также металлические и криогенные болометры [2-3].
Основным достоинством тепловых ПОИ является постоянство чувствительности в широком спектральном диапазоне (0,1 - 100 мкм). К недостаткам можно отнести низкую чувствительность, очень малый уровень выходного сигнала и его сильную зависимость от окружающей температуры, поэтому в оптоэлектронных первичных преобразователях (ОПП) почти не применяется. В настоящее время тепловые ПОИ используются преимущественно для преобразования излучения в ИК-диапазоне, а также в качестве эталонных ПОИ в спектрометрических устройствах.
Рис. 1. Классификация ПОИ
Еще одна группа (рис. 1) фотоэлектронные и фотоемкостные ПОИ. К ним относят вакуумные и передающие ТУ-трубки с фотокатодами, диссекторы, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и квантомеры. Обязательным условием, необходимым для нормальной работы этих ПОИ, является наличие вакуумированной среды и
больших рабочих напряжений, от сотен вольт до десятка киловольт, что снижает их надежность и долговечность и усложняет конструкцию. Поэтому в ОПП они редко применяются.
В ОПП, главным образом, применяются полупроводниковые ПОИ (рис. 1). Полупроводниковые ПОИ уступают по отдельным параметрам фотоэлектронным ПОИ, но использование их в условиях производства предпочтительно из-за малых габаритов, высокой надежности и небольших рабочих напряжений.
К этому классу ПОИ относятся: фоторезисторы (ФР), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фототиристоры, приборы с зарядовой связью (ПЗС), АФН-приемники, фотоэлементы, полупроводниковые болометры.
ФР широко используются для приема оптического излучения в интервале от 0,3 до 40 мкм. Спектральная чувствительность ФР зависит от полупроводникового материала чувствительного слоя и охлаждения. Абсолютная спектральная чувствительность неохлаждаемых ФР при понижении температуры повышается, так как уменьшается генерация носителей тока.
Для охлаждения приемника подложку с чувствительным слоем монтируют в пластмассовом корпусе, имеющим форму сосуда Дьюара. Для охлаждения применяют твердую углекислоту (минус 78 °С) или жидкий азот (минус 195 °С).
Для регистрации и измерения с X = 10,6 мкм применяется лишь несколько типов приемников. К ним относятся фотоэлементы на основе полупроводникового соединения кадмий-ртуть-теллур, германия с примесью золота или меди; полупроводниковые болометры; пироэлектрические приемники.
Фотоэлектрические приемники излучения считаются лучшими приборами, так как они непосредственно дают электрические сигналы. Однако такие фотоэлементы работают при глубоком охлаждении (Т = 77 оК), что вызывает соответствующие трудности при их эксплуатации. Полупроводниковые болометры обычно характеризуются низкой чувствительностью и низким быстродействием. Пироэлектрические приемники имеют высокую чувствительность и хорошее быстродействие, но они рассчитаны для регистрации весьма слабых по мощности излучений.
В связи с этим, предстояла актуальная задача - разработать новый способ измерения мощности ИК-излучения, который позволил бы расширить функциональные возможности используемого прибора так, чтобы можно было измерять не только мощность излучения, но и распределение энергии по профилю луча. Является актуальным исследование и разработки полупроводниковых фото-, тепло - или электрических приборов на основе широко распространенного кремния.
Для решения данной задачи предложено использовать кремниевые фотоэлектрические приемники (ФЭП) в качестве приемника теплового потока ИК-излучения [4]. В результате действия теплового потока ИК-излучения на кремний температура ФЭП изменяется в зависимости от поглощаемой энергии. Если дополнительной подсветкой видимого излучения (в области спектральной
чувствительности кремния) создать исходную фото э.д.с., то под тепловым действием ИК-излучения изменяется значение исходного фото э.д.с. иф согласно известной формуле [5]:
иф = фкТ/ф 1п (№0) + 1), (1)
где Jф - плотность фототока, 30 - плотность темнового тока насыщения.
Известно, что уменьшение фото э.д.с. или напряжения холостого хода ФЭП связано с быстрым увеличением обратного тока насыщения при повышении его температуры [6]. Экспериментальные значения температурного коэффициента фото э.д.с. холостого хода кремниевых ФЭП (dUФ/dT) обычно составляют (1,9 ^ 2,5) мВ/град и несколько меняются от элемента к элементу, но постоянны для каждого прибора в широком диапазоне освещенности и температуры. Самое главное - сохраняется прямолинейное изменение иФ ФЭП от температуры в широком температурном диапазоне.
Для осуществления предложенного способа измерения мощности ИК-излучения разработано устройство, блок-схема которого приведена на рис. 2. Устройство содержит кремниевый ФЭП (4) с /»-«-переходом (4") и омическими контактами (4 '), источник подсветки (6), регистратор напряжения (5). ФЭП изготовлен методом ионного внедрения атомов фосфора в поликристаллическую пленку кремния ^-типа с удельным сопротивлением ~ 5 Ом^см, выращенной из газообразной фазы на низкоомной (~ 0,1 Ом*см) подложке из кремния ^-типа.
Сформированный источником (1) (СО2 -лазер типа ЛГ-25) ИК-луч был направлен на ФЭП (4) через ослабитель мощности (2) (типа К945.04 от измерителя ИМО-2Н) и автоматический затвор (3), который позволяет экспонировать с погрешностью ~ 0,01 с.
На рис. 3 приведены графические зависимости фото э.д.с. холостого хода ихх ФЭП и выходного сигнала 5 от мощности ИК-излучения IV для времени экспонирования г, равному (5) с (кривые 1, Г) и 10 с (кривые 2, 2').
Рис. 2. Устройство для измерения мощности теплового потока ИК-излучения
Рис. 3. Зависимость ихх и сигнала (Б=Аихх) от мощности потока ИК-излучения: 1 и 1' - для времени экспонирования Ах = 5 с; 2 и 2' - для Ах = 10 с
Как видно из графика, с ростом мощности излучения Ж линейно уменьшается ихх (кривые 1 и 2), т.е. с изменением мощности излучения возникает
линейный сигнал 5 (кривые 1 ' и 2 '). Согласно зависимости 8(\¥ Пт) полученные кривые могут служить градуировочными кривыми для определения мощности луча или переносимой им энергии Е.
Нарушение линейности S(W) при Ж > 7Bm (кривая 2) связано перегревом ФЭП. Как свидетельствуют эксперименты, можно исключить подобного рода нарушения линейности S(W) путем снижения времени экспонирования (кривая 1). Следовательно, для расширения диапазона измерения по мощности ИК-излучения в большую сторону необходимо дальнейшее снижение времени экспонирования.
Таким образом, измерением сигнала S, т.е. изменения ихх ФЭП, по градировочной кривой можно определить мощность или энергию ИК-излучения. При этом важным является то, что ФЭП обладают высокой чувствительностью к нагреву по сравнению с полупроводниковыми болометрами, так как имеют диодную структуру с плоским р-«-переходом.
ФЭП в устройстве расположен так, чтобы подсветка направлена на его лицевую поверхность, вблизи которой сформирован р-«-переход, а измеряемое ИК-излучение направлено на противоположную ей поверхность (рис. 2). Преимущественное поглощение ИК-излучения происходит вблизи падающей поверхности, вследствие чего поверхностная область нагревается и возникает градиент температуры dT по толщине кремния dx. Тепловой поток dQ, направленный вглубь полупроводника через поперечное сечение ds за время dt определяется выражением:
dQ = -Х^ТМх) ds dt, (2)
где X - коэффициент теплопроводности материала.
При достижении теплового потока dQ границы раздела р-«-перехода происходит измерение исходной фото э.д.с., созданной при помощи видимого излучения. Это измерение происходит до тех пор, пока температура области р-«-перехода не достигнет максимального значения, при котором зафиксируется измеряемый сигнал ^ Инерционность этого устройства определяется промежутком времени dt или, как видноиз выражения (2), толщиной dx. Другими словами, так как тепловой поток dQ передается через всю толщину ФЭП и она намного превышает глубину залегания р-«-перехода
(dxSi>>dxh-g), предложенное устройство имеет высокую инерционность, что подтверждалось при экспериментальных измерениях. Восстановление исходного значения фото э.д.с. происходило в течении 1 ^ 4 с при выше указанном интервале мощности.
Для снижения инерционности ФЭП предложено расположить его так, чтобы ИК-излучение и подсветка были направлены на одну и ту же поверхность. Для повышения эффективного поглощения ИК-излучения в поверхностной области, на поверхность ФЭП нанесена пленка из окиси кремния Si0х методом вакуумного термического испарения и одновременно служит в качестве антиотражающего покрытия для видимого излучения. Это позволяло предложить новое комбинированное фотоэлектрическое устройство для измерения ИК- и излучений (рис.4). Устройство (рис. 4) содержит полупроводниковый фильтрующий элемент 1, выполненный в виде плоской
пластины из монокристаллического германия, который имеет коэффициент пропускания для X = 10,6 мкм порядка 90%, кремниевый ФЭП 2, излучатель видимого диапазона 4 (светодиод или лампочка накаливания), измерительную схему 3, источник питания 5 с переключателем 6.
Рис. 4. Блок-схема комбинированной системы для измерения мощности потока
видимого видимого и ИК-излучения:
1 - фильтровая пластина, 2 - ФЭП с р-п переходом и БЮ2 - покрытием на фронтальной поверхности, 3 - измеритель, 4 - источник света, 5 - источник
питания, 6 - переключатель
Комбинированное устройство, представленное на рис. 4, работает в двух режимах следующим образом:
а) Для измерения мощности видимого излучения необходимо снять фильтрующий элемент 1 (рис. 2); в результате световой поток падает на лицевую поверхность ФЭП(2), где непосредственно преобразуется в электрический сигнал (фотовольтаический режим); измерение сигнала (фото
э.д.с.) при помощи схемы 3 позволяет определить мощность падающего излучения;
б) Для измерения мощности ИК-излучения, в частности для X = 10,6 мкм, необходимо включить (переключателем 6) излучатель 4, который создает исходный фото э.д.с. на ФЭП 2; фильтрующий элемент 1 припускает только ИК-излучение, под тепловым действием которого происходит изменение ихх, т.е. возникает сигнал S; измерением S по градуировочной кривой определяется мощность ИК-излучения.
Физическая сущность предложенного метода заключается в следующем. При падении теплового потока ИК-излучения на поверхность полупроводника преимущественное его поглощение происходит в поверхностной и приповерхностной областях, вследствие чего поверхностная область
нагревается быстрее и возникает градиент температуры dT/dx по толщине образца. Тепловой поток dQ, направленный вглубь полупроводника по нормали
В1 о
р-п
6
через поперечное сечение As за промежуток времени dt можно записать в виде
[7]:
dQ/dt = -ХТ (dT/dx) As , (3)
где ХТ - коэффициент теплопроводности материала.
Для решения задачи о распространении периодических температурных колебаний в однородном полупространственном теле уравнение теплопроводности (3) можно переписать в виде dT/dt = a2 (d2T dx2) , (4)
где а - коэффициент температуропроводности материала.
Решение уравнения (4), удовлетворяющее условию
Т (0, t) = T cos (2mf t), (5)
может быть найдено, например в виде ряда [7]:
да
T(x, t) = ^ Tn exp [-(mf/а2) 12x] cos [(mf /a2x)- 2mft]. (6)
n=1
Значения коэффициентов Tn определяются граничными условиями, т.е. формой импульсов падающего теплового потока и их длительностью.
На основании решения уравнения (6) можно получить следующую характеристику процесса распространения температурной волны в теле. При периодическом изменении температуры на поверхности тела, устанавливается распространяющийся вглубь и изменяющийся с тем же периодом тепловой поток, вызывающий аналогично колеблющийся неравномерный нагрев тела по глубине, причем амплитуда колебаний температуры экспоненциально убывает с глубиной.
T(x) = T exp[-(mf/a2)1/2 x] (7)
Прологарифмировав (7), получаем:
X = - ln (T(x)/T)/(mf/a2)12. (8)
Отсюда вытекает, что чем меньше период колебания температуры, тем меньше глубина проникновения теплового потока, т.е. тело на фиксированной глубине .х нагревается меньше.
Предложенный способ измерения мощности ИК-излучения позволяет значительно упростить процесс измерения, который проводится при комнатной температуре. Как показывают эксперименты, мощность излучения в значительно более широком диапазоне по сравнению с другими методами можно измерить с использованием кремниевых ФЭП. Использование ФЭП с диодной структурой, к тому же на пленочной основе, позволяет создать приемники с высокой чувствительностью, которые могут конкурировать с пироэлектрическими приемниками.
Перспективным является возможность изготовления приемника в матричном виде на основе предложенного способа измерения. Матрицы из кремниевых ФЭП позволяют наиболее точно измерять распределение энергии по профилю луча. Создание многоэлементных матриц на основе ФЭП может иметь большое значение в разработке приемников теплового изображения с высокой разрешающей способностью. Описанную методику можно применять
для неразрушающего измерения глубины залегания р-«-перехода
полупроводниковых фотоэлектрических структур.
Для повышения чувствительности устройств для измерения ИК-излучения целесообразно использовать высоковольтные фотоэлементы с вертикальными р-«-переходами, которые обладают выходным напряжением на порядок больше, чем единичные элементы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Козелкин, В.В. Основы инфракрасной техники / В.В. Козелкин, И.Ф. Усольцев. - М.: Машиностроение, 1974. - 270 с.
2. Рахимов, Н.Р АФН-пленки и их применение / Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьёзнов. - Новосибирск: СибНИА, 2005. - 64 с.
3. Рахимов, Н.Р Приемник оптического излучения на основе АФН-пленок / Н.Р. Рахимов, Л.К. Мамадалиева// Изв. вузов. Приборостроение. - 2004. - № 8. - С. 53-56.
4. Алиев, Р.У Применение кремниевых фотоэлектрических приемников для измерения мощности ИК-излучения // Приборы и техника эксперимента. -1996. - №4, - С.132-133.
5. Васильев, А.М., Полупроводниковые фотопреобразователи / А.М. Васильев, А.П. Ландсман - М.: Сов. Радио, 1971. - 248 с.
6. Взаимодействие корпускулярных потоков с поверхностью твердого тела / Б.М. Абдурахманов и др. - Ташкент: Фан, 1991. - 220 с.
7. Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. - М.: Наука, 1972. - 736 с.
© Р.У. Алиев, Н.Р. Рахимов, Э.К. Мухтаров, Е.Ю. Кутенкова, 2011
