CC BY
25
УДК 537.41.78
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК Са1-х8пх8, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ СЕЛЕКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А.Ю. Кузьмин, Ю.А. Брусенцов, В.И. Ильин
Кафедра «Материалы и технология», ГОУ ВПО «ТГТУ»; а_ки^іп@1іяї. ги
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: монохроматическая чувствительность; первичный измерительный преобразователь; спектральная характеристика.
Аннотация: Описывается и проводится анализ свойств спектрального распределения чувствительности селективного преобразователя инфракрасного излучения на основе Cdl-хSnхS.
На кафедре «Материалы и технология» Тамбовского государственного технического университета ведутся исследования по разработке селективного неох-лаждаемого преобразователя инфракрасного излучения (ИК) на основе тройного сплава Cdl_хSnхS. Преимуществами преобразователя являются расширение диапазона принимаемого излучения при помощи селективных первичных измерительных преобразователей (ПИП), не нуждающихся в охлаждении, созданных на основе нового, запатентованного материала [1].
В исследованиях изучены структура и свойства соединения Cdl_хSnхS, и теоретически обоснована возможность его использования в качестве чувствительного материала для ПИП электромагнитного излучения ИК-спектра. В частности, были изучены спектральные характеристики данного материала.
Более полную информацию о свойствах фотосопротивления можно получить, зная его монохроматическую чувствительность Бцх , то есть отношение
напряжения сигнала к падающему на чувствительную площадку фотоприемника потоку монохроматического излучения. Измерив величину напряжения сигнала, и отнеся ее к величине падающего на фотоприемник потока монохроматического излучения различной длины волны, можно построить спектральную характеристику чувствительности Бц 1 = / (1) [2].
Для определения фоточувствительности детектора излучения рассмотрим цепочку фоторезистор - сопротивление нагрузки Кн при воздействии на него монохроматического лучистого потока и Ят - темновое сопротивление. При отсутствии излучения ток в цепочке фоторезистор - нагрузка имеет величину
Iт = U0 . (1)
т RT + RH
VT ' H
где и о - напряжение нагрузки.
При полностью открытом потоке через монохроматор
1о =-----и0---------------------------------------, (2)
Ят - АЯ + Ян
где АЯ - изменение величины сопротивления при освещении.
Таким образом, при вращении диска модулятора на сопротивлении нагрузки возникает переменный сигнал, полная амплитуда которого
U =(I + J )R = U0Rh (2RT ~DR + 2Rh ) (3)
Cl ( 0 T)h (Rt-DR + RH)(RT + RH) .
Если изменение темнового сопротивления под воздействием лучистого потока незначительно (то есть АЯ << Я), тогда
и иЯн . (4)
С Ят + Ян
Из формулы видно, что величина сигнала, измеряемого на нагрузке, зависит от соотношения Ят и Ян. Т аким образом, если цепь будет в режиме согласования
нагрузки (когда Я = Ян = Ят), то полная амплитуда сигнала равна амплитуде напряжения нагрузки:
иах= и о. (5)
Чувствительность фоторезистора, В/Вт, может быть определена как отношение величины сигнала, возникающего на нагрузочном сопротивлении (в согласованном режиме) к величине лучистого потока определенного спектрального состава, попадающего на чувствительный элемент фотоприемника,
иС1
*4= —^ , (6)
ЕЦ
где Е - плотность лучистого потока, Вт/см2; qф - площадь фоточувствительного элемента, см2.
С Е о*(т4 - 7о4)
С учетом того, что Е = —-—-—— , полное выражение для расчета величи-
Р 2
ны вольтовой чувствительности принимает вид
иС. к!2
^ =ОТ4-Т4Кф ’ (7)
где I - расстояние между контактными площадками, см; * - площадь окна пропускания потока, см2; о - постоянная Стефана-Больцмана, о = 5,668-10-12 Вт-см2-К4.
Рассчитанную таким образом величину с учетом сигнала, измеренного при напряжении на фоторезисторе, равном рабочему, и согласованной нагрузке принято называть интегральной вольтовой чувствительностью. В том случае, если величина чувствительности рассчитывается при воздействии монохроматического излучения, ее называют монохроматической чувствительностью.
В соответствии с приведенной методикой была рассчитана монохроматическая чувствительность тонких пленок С^,148по,868, С^,28п0,88, Сё0,38п0,78 и построено спектральное распределение чувствительности (рис. 1).
Анализ полученной зависимости указывает на наличие ярко выраженного всплеска проводимости ПИП при воздействии на него ИК-излучения с длиной волны, соответствующей энергии активации полупроводника, что подтверждает справедливость выбранной методики получения полупроводникового материала.
Для оценки влияния ИК-излучения на величину фототока тонкопленочных сплавов Сё0148п0 868, Сё028п088, Сё038п078 была построена зависимость фототока детектора от длины волны воздействующего на него излучения методом непосредственного измерения напряжения сигнала и сопротивления детектора излучения. На рис. 2 представлен график, отражающий зависимость величины фототока от длины волны излучения. В связи с тем, что разброс номиналов детекторов излучения достаточно велик (± 10 %), а характер кривой сохраняется в пределах погрешности построения зависимости, фототок I приведен в относительных единицах.
Характер поведения кривой, представленной на рис. 2, можно объяснить следующим образом: при освещении образцов происходит резкое возрастание сигнала фотопроводимости, особенно в области фундаментального поглощения в связи с ростом коэффициента поглощения, когда кп » Е& . При определенной
энергии фотона, близкой к ширине запрещенной зоны, кривая фоточувствительности достигает максимума, а затем спадает в области сильного поглощения.
По описанным ранее методикам в рамках исследования были получены основные характеристики ПИП на основе сплава Сё1-х8пх8, которые являются типовыми для устройств подобного вида (табл. 1).
.V10-4, Вт
1, мкм
Рис. 1. Монохроматическая чувствительность тонкопленочного сплава
1 - С^о,148по,868; 2 - С^0,28п0,88;
3 - Сё0 38п078
3
5
7
9
11
1, мкм
Рис. 2. Зависимость величины фототока тонкопленочного сплава С^дЗпдЗ от длины волны ИК-излучения:
1 - С^,148п0,868; 2 - С^,28п0,88;
3 - Сё0 38п0 78
Таблица 1
Основные параметры фотонных полупроводниковых ПИП на основе Cd1-xSnxS
Параметр Сплав
Cd0,14Sn0,86S Cd0,2Sn0,8S Cd0,3Sn0,7S
Номинальное сопротивление Лном, Ом 4,8-106
Напряжение нагрузки Щ, В 3
Темновой ток 1Т, А 0,6-10-6 5,7 5,3
Энергия активации АЕ, эВ 0,3 0,2 0,1
Длина волны X, мкм 7 9 11
Коэффициент поглощения а 1
Время жизни т, с 10-16
2 Подвижность р., см /(В-с) < 5
Фототок I при Рс = 6-10-3, А 10-6
Максимальный порог чувствительности, хШ-4 Вт 5
Анализ полученных зависимостей указывает на наличие ярко выраженного всплеска проводимости ПИП при воздействии на него ИК-излучения с длиной волны, соответствующей энергии активации полупроводника, что подтверждает справедливость выбранной методики получения полупроводникового материала.
Список литературы
1. Пат. № 2309486 Российская Федерация, МПК7 В 01 L 31/08. Чувствительный элемент детектора инфракрасного излучения / Поляков Е.В., Минаев А.М., Пручкин В. А, Кузьмин А.Ю. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2005133562/28 ; заявл. 31.10.05 ; опубл. 27.10.2007, Бюл. № 30.
2. Поляков, Е.В. Узкозонный детектор ИК-излучения на основе сплава Cd1-xSnxS / Е.В. Поляков, Ю.А. Брусенцов, А.М. Минаев // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2003. - Т. 9, № 1. - С. 85-89.
Research into Spectral Characteristics of Cd1-xSnxS Thin Films Used as Selective Converter Infra-Red Radiation
A.Yu. Kuzmin, Yu.A. Brusentsov, V.I. Ilyin
Department “Materials and Technology ”, TSTU; a_kuzmin@list. ru
Key words and phrases: mono-chrome sensitivity; selective converter; spectral characteristic.
Abstract: The paper describes the analysis of properties of spectral distribution of selective converter of infra-red radiation on the basis of Cd1-xSnxS.
1. Pat. № 2309486 Russian Federation, MPK7 B 01 L 31/08. Sensing element of infrared radiation detector / Polyakov E.V., Minaev A.M., Pruchkin V.A., Kuz’min A.Yu. : Application and proprietors TSTU ; application № 2005133562/2 ; applicated 31.10.05 ; application published 10.05.2007, Bull. № 30.
2. Polyakov, E.V. Narrowly-zone detector of IR-radiation on the basis of an alloy Cdi-xSnxS / E.V. Polyakov, Yu. A. Brucenczov, A.M. Minaev // Transactions TSTU. - 2003. - V. 9, № 1. - P. 85-89.
Untersuchung der spektralen Charakteristiken der als selektiver Umformer der infraroten Strahlung benutzten Dünnfolien Cdi_xSnxS
Zusammenfassung: Es wird die Analyse der Eigenschaften der spektralen Verteilung der Empfindlichkeit des selektiven Umformers der infraroten Strahlung auf Grund von Cdi_xSnxS beschrieben und durchgeführt.
Etudes des caractéristiques spectrales des pellicules fines Cdi-xSnxS utilisées en qualité du converseur sélectif du rayonnement infra-rouge
Résumé: Sont décrites et analysées les propriétés de la répartition de la sensibilité du converseur sélectif du rayonnement infra-rouge à la base de Cdi_xSnxS.
Авторы: Кузьмин Александр Юрьевич - аспирант кафедры «Материалы и технология»; Брусенцов Юрий Анатольевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материалы и технология»; Ильин Владислав Игоревич - магистрант кафедры «Материалы и технология», ГОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент Пономарев Сергей Васильевич - доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы, заместитель заведующего кафедрой «Автоматизированные системы и приборы» ГОУ ВПО «ТГТУ».
