Координатно-чувствительные фотоприемники на основе полупроводниковых слоев nCdTe:in Текст научной статьи по специальности «Физика»

Физические приборы и устройства

КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ псате:1п

Э. А. Сенокосов, доктор физико-математических наук, В. В. Сорочан

Среди полупроводниковых датчиков особое место занимают позиционные сенсорные элементы, предназначенные для регистрации и преобразования в аналоговый или цифровой электрический сигнал информации о пространственных перемещениях механических и све-тоизлучающих объектов. Из позиционных видеосенсорных устройств одними из первых были разработаны позиционно-чувствительные фотоприемники (ПЧФ) на основе р-я-перехо-да [3], в работе которых использовался эффект возникновения продольной фотоэлектродвижущей силы при неравномерном освещении р-п перехода. Следующим этапом использования такого рода оптоэлектронных приборов явилась

топриемника при его локальной засветке и протекании электрического тока. Расчеты функции распределения данного потенциала впервые проведены в работах [1; 4; 8]. Они позволили найти аналитическую зависимость выходного сигнала фотоприемника в форме диска с нанесенными по краям пятью линейными контактами (рис. 1) от величины протекающего через него тока, интенсивности и координат локальной засветки [1; 4]. Контакты наносились в местах приемного элемента, определяемых центральными углами 03 = 45°, 02= 90°, 0,= 135°, 05 = 270°, 0 = 315°, (углы 0 от-

О

считывались от оси х против часовой стрелки). Контакты 2 и 5 подключались к источник разработка сенсорных элементов, работа кото- ку входного напряжения б, и через фотоэлемент

рых основывалась на координатной зависимости внутреннего сопротивления фотоприемников [2] и фотоприемников на основе МОП структур [11].

В работах [7; 9; 10] впервые предложены и разработаны ПЧФ на основе однородных полупроводниковых слоев (пластин), работа кото-

пропускался ток /, контролируемый амперметром 7. К контактам 1 и 3, а также 3 и 4 подклю-

9

чались вольтметры 8 и 9, с помощью которых снимались выходные сигналы £/13 и ЦЗА.

8

рых основана на нетрадиционном схеме расположения и коммутации электрических контактов. Среди преимуществ фотоприемников такого рода можно выделить расширение спектров фоточувствительностй за счет примесной области и существенное упрощение технологии их изготовления. Зависимость чувствительности ПЧФ на основе однородных полупроводниковых слоев определяется особенностью распределения потенциала по поверхности фо-

IV 1

Рисунок /. Схема позиционно-чувствительного устройства на основе полупроводникового

фотоприемного элемента с пятью контактами

© Э. А. Сенокосов, В. В. Сорочан, 2007 I

103

Их зависимость от координат пятна засветки определяется следующими выражениями [9]:

1 + /'2 - 2л/2у//

[(1+0"-4//2][(1 +

г2-2^2у")2-2х"2]

(1)

- Лл,/

и34 = Ау

1 + Г2 -

2 ч2

//2

[(1 + г ) - 4у ][(1 + г

- 2^2

IIЛ

II2

X ) -2у ]

(2)

где

II

х/а,А =

<5а

/

О О • 71 • (1

X = Го БШ 0 , у = Го С05в0,

Г -

X

+ У

//

х/а,

у11 - у / а

На рис. 2 приведена зависимость выходного напряжения ихг (х, у) от положения пятна засветки, построенная в соответствии с формулой (1). Расчеты проводились для значения радиуса приемного элемента = 7,5 мм, что соответствует радиусу реальных приемных элементов 5-контактных ПЧФ на основе слоев пСс1Те:1п. Область линейности сигнала £/13(х, у) ограничена окружностью радиусом 1,5 мм. С дальнейшим увеличением радиуса зондирования выходной сигнал изменяется нелинейно с координатами. Аналогичные свойства проявляет и сигнал из4 (х, у), с той лишь разницей, что область его линейности составляет величину г < 1 мм (рис. 3). Напряжение Ц]3 равно нулю при х = 0 и перемещении светового зонда вдоль оси у, а напряжение Vм равно нулю при перемещении светового зонда вдоль оси х для координат у = 0.

06

04

5 02

С

9

-Г -02

-04

у». _

/

/ ✓

1 5

1 5

05

05

-05

у, ММ

1 1 -15 -15

•05

X

Рисунок 2

Теоретическая зависимость выходного напряжения и 13 5-контактного ПЧФ как функция координат х и у светового зонда,

построенная по формуле (I)

у, мм

X, мм

Рисунок 3

Теоретическая зависимость выходного напряжения и34 5-контактного ПЧФ как функция координат х и у светового зонда,

построенная по формуле (2)

На рис. 4 приведена теоретическая зависимость и{з (х), построенная в соответствии с формулой (1) для у = 0. Она является линейной в интервале значений х = (-3; 3) мм.

и13> отн. ед

0 5 04 03 О 2 0 1

4)4

-0.5

X, мм

Рисунок 4

Теоретическая зависимость напряжения

V13 от смещения светового зонда по оси X (при у = 0) для 5-контактного ПЧФ, построенная в соответствии

с формулой (1)

Зависимость £/34 (¿/), как видно из рис. 5, является линейной функцией в интервале у = (-1; 1) мм. Необходимо учитывать, что построение графиков 2 — 5 проведено без учета коэффициента А, входящего в формулы (1) и (2).

Рисунок 5

Теоретическая зависимость выходного

напряжения и34 от смещения светового зонда по оси У (при X = 0) 5-контактного ПЧФ, построенная в соответствии

с формулой (2)

Теоретический анализ 5-контактных ПЧФ на основе однородных полупроводниковых слоев позволяет заключить, что их использование возможно в области 0 < г < 0,1 Л. Именно в этой области сигналы £/13 и £/34 линейно изменяются с координатами.

5-контактные ПЧФ нами изготавливались на основе толстых слоев пСс!Те:1п с! > 10 мкм, которые получались методом вакуумного напыле-

I

ния в квазизамкнутом объеме на стеклянные подложки и кристаллические пластины а-А1203 [5], ориентированные плоскостью (0001). Слои напылялись в форме диска радиусом I? = 6 — 8 мм. Удельное сопротивление полученных слоев в зависимости от уровня их легирования изменялось от 102 до 106 Ом-см. Кратность их фотоответа при 300 К и освещенности 500 лк составляла величину 20 — 30. На слои пСс1Те:1п наносились линейные индиевые контакты, центральные углы между контактами 1 и 2, 2 и 3, 4 и 5 составляли 45°, центральный угол между контактами 3 и 4 составляет 90°, а между контактами 1 и 5 — 135° (рис. 6). К контактам 2 и 5 подключался источник входного напряжения и через фотоэлемент пропускался ток. К контактам 1 и 3, 3 и 4 подключались резисторы нагруз-

ки, с которых снимались выходные напряжения ип и /У34, возникающие при локальной засветке поверхности приемного элемента ПЧФ. Выходные характеристики 5 -контактных ПЧФ определялись величиной выходных напряжений и13 и , зависящих от местоположения и интенсивности светового пятна, а также от величины тока.

2

Рисунок 6

Схема 5-контактных ПЧФ на основе слоев

пС<1Те:1п: 1, 2, 3,4,5 — индиевые контакты,

6 — слой пС(1Те:1п, 7 — диэлектрическая подложка (А1203)

На рис. 7 представлена диаграмма зависимости выходного сигнала £/13 от координат пятна засветки (х, у) 5-контактного ПЧФ на основе слоя пСсГГе:1п/А1203. В точках с координатой х = 0 выходной сигнал был равен нулю для всех значений у. В I и IV четвертях выходной сигнал и13 положителен, а во второй и третьей — отрицателен. Знак сигнала определялся направлением тока, в исследованиях 5-контактных ПЧФ направление тока сохранялось постоянным, от контакта 2 к 5. Ток через образец составлял / = 250 мкА. Диаграмма зависимости сигнала Ц[3 от положения пятна засветки симметрична относительно оси х. На ней наблюдаются максимум и минимум, расположенные на оси х. Максимальное значение выходного сигнала составляет £/13= 3,5 В и соответствует засветке точки фотоприемного элемента с координатами (6; 0) мм. Минимальное значение составляет (713 = -3,7 В и соответствует засветке точки с координатами (-5,5; 0) мм. Область линейной зависимости сигнала £/13 от координат засветки ограничена окружностью радиусом г = 2,5 мм с центром, совпадающим с центром приемного элемента.

Рисунок 7

Экспериментальная зависимость выходного напряжения и от координат х и у 5-контактного ПЧФ на основе слоя пСйТе:1п /Л1203 толщиной 30 «ЛС/С-АС

для I = 250 мкА

Диаграмма зависимости выходного сигнала им от координат локальной засветки приемного элемента на основе слоя пСс!Те:1п представлена на рис. 8. Выходной сигнал был равен нулю при засветке точек приемного элемента, расположенных на оси х. Он имел положительное значение

и

в первой и во второй четвертях и отрицательное — в третьей и четвертой. Диаграмма сигнала Им{х\ у) не столь симметрична, как £/13(х; у). Можно отметить ли-нию симметрии, проходящую через ось у. На диаграмме зависимости максимум и минимум выражены не так сильно, как на диаграмме 1113(х; у) (рис. 7). Максимальное значение 1)м(х; у) = 4,5 В соответствует засветке точки с координатами (0; 6) мм. Минимальное значение, равное /У34(х; у) = -4,8 В, соответствует засветке точки с координатами (0; -6,2) мм. Область линейности сигнала £/34(х; у) уже, чем сигнала у). Она ограничена ок-

ружностью радиусом г = 2 мм, центр которой также совпадает с центром приемного элемента

У, мм

X. мм

Рисунок 8

Экспериментальная зависимость выходного напряжения II34 от координат х и у 5-контактного ПЧФ на основе слоя пС(1Те:1п /А1203 толщиной 30 для I =

250 мкА

На рис. 9 представлена зависимость выходного напряжения и,3 от координаты х пятна засветки при у = 0. Она линейно изменяется в интервале х = (-4,8; 4,2) мм. Область линейности напряжения V хъ(х) шире, предсказанной теорией на 24 % (ср. рис. 9 и рис. 4). Наклон кривой ихг(х) в области линейности

ДЦ Ах

= 0,72В/мм. Область линейности сигна-

ла и[3 с удалением от оси х сужается и составляет х = (-1,5; 2) мм при зондировании вдоль прямой у = 2 мм (см. рис. 7). Выходной сигнал меняет знак при переходе через нулевое значение координаты.

и и13,в

X, мм

-7-6-6 -4-3-2

X «2

^^ Ш + тА Г

-4

-6

12 3

♦ 567

Рисунок 9

Зависимость выходного напряжения V/3 5-контактного ПЧФ пСйТе:1п/А1203 от координаты х светового пятна

(У = 0, I = 250 мкА)

Напряжение иы линейно изменяется в интервале у = (-2; 2,2) мм (рис. 10).

Наклон кривой из4(у) в этой области

^ ди 7

-0,5 В/мм . Однако в отличие от теоретически рассчитанной зависимости (рис. 5) в I и IV четвертях существуют по две области

О

линеиности сигнала, разделенные узкими участками. Наклон зависимости им(у) в интервалах у = (-6,2; -2) мм и у = (2, 8; 5, 6) мм

составляет соответственно:

V

Дх

= 0,88 В/мм

/

и

)

ди

л

чДху

= 0,96 В/мм

Область линейности, определенная экспериментально с использованием фотоприемников пСсГГе:1п, существенно шире предсказанной теорией. Выходной сигнал меняет знак с переходом через нулевое значение координаты.

и*. В

У, мм

К

ч

И

7,1В

мм мкА мВт

^ •»» 4.Ю *20 4» 450 -«О «ТО 4'Л КМ

Рисунок 10 Зависимость выходного напряжения 1134 5-контактного ПЧФ на основе слоя пСс1Те:1п/А1203 от координаты у светового пятна (х—0, 1=250 мкА)

Симметричность трехмерных диаграмм £/13(х; у) и им(х; у) и смена знака при перехо-

о

де из одной полуплоскости в другую позволяет однозначно определять положение пятна засветки. Функция У13(х; у) является линей-

Рисунок 11 Зависимость удельной координатной чувствительности 5-контактного ПЧФ на основе слоя пС(1Те:1п, полученного при ТИ = 550 С и ТП = 530 С,

от температуры ТЛ испарения легирующей примеси 1п

Сравнение чувствительности 5-контактных ПЧФ пСс1Те:1п/А1203 с другими типами ПЧФ затруднено вследствие различия их принципов работы. В работе [6] сообщается о чувствительности ПЧФ на основе продольного фотоэффек-

ной в области 0 < г < 0,33/?, а /У34(х; у) — в та, равной 300 мВ/мм-мВт. При пропускании области 0 < г < 0,26/?. Таким образом, анализ Т0Ка в 20 мкА такую чувствительность можно

экспериментальных результатов позволяет заключить, что выходные напряжения /У13 и ¿У34 однозначно характеризуют положение пятна засветки в области 0 < г < 0,26/?.

Измерения показали, что удельная координатная чувствительность 5 -контактных ПЧФ на основе слоев пСс!Те:1п, определяемая как выходное напряжение, отнесенное к смещению светового зонда, току через образец и мощности падающего излучения, равна 15,5 мВ/ мм-мкА-мВт. Она линейно уменьшается с увеличением уровня легирования (рис. И). Исходя из этого для создания приемных элементов ПЧФ целесообразно применять слои пСс1Те:1п с невысоким уровнем легирования. Однако, используя высокоомные слои, нельзя получить большие значения тока через приемный элемент, определяющие величину выходных напряжений £/13 и (У34. В связи с этим для изготовления приемных элементов ПЧФ использовались слои пСс!Те:1п, обладающие оптимальными значениями удельного сопротивления с точки зрения чувствительности и вели-

получить на исследуемых фотоприемниках

пСс1Те:1п/ А1203.

На рис. 12 приведена экспериментально измеренная зависимость выходного напряжения £/13 от тока через приемный элемент ПЧФ для координат засветки х = 3 мм, у = 0. Представленная зависимость Ц13 = / (/) является линейной, как и предсказывалось теорией. Также линейно с током через образец возрастает напряжение и„л (рис. 13). и13, В

I, мА

02

<М

0.4

О

чины выходных напряжении, их сопротивление при комнатной температуре составляет 104 — 105 Ом • см.

Рисунок 12 Зависимость выходного напряжения Ц13 от величины тока через 5-контактный ПЧФ на основе слоев пС(1Те:1п /А1203 для координат светового пятна х = 3 мм (у = 0)

Рисунок 13 Зависимость выходного напряжения 1)34 от величины тока через 5-контактный ПЧФ на основе слоев пС(1Те:1п / А120 3 для координаты светового пятна

х — 3 мм (у = 0)

Линейная зависимость выходных сигналов 5 -контактных ПЧФ на основе слоев пСс1Те:1п от координат и интенсивности светового зонда, а также от величины протекающего через фотоприемник электрического тока наделяет их свойствами, необходимыми для датчиков световых сигналов. Выводы таковы:

1. Результаты экспериментального исследования 5 -контактных ПЧФ, изготовленных на основе толстых слоев пСс1Те:1п, показывают, что выходной сигнал, снимаемый с контактов, расположенных на линии, параллельной оси у, изменяется линейно в области координат оптического зонда У/к = (-0,75 0,75). Зависимость этого сигнала от координат локальной засветки является симметричной функцией относительно оси г/, меняя знак при смене ее направления на противоположное. Область линейного изменения выходного сигнала с координатой локальной засветки представляет собой

круг с центром приемного фотоэлемента и радиусом г0/к = 0,26.

2. Выходной сигнал 5 -контактных ПЧФ на основе слоев пСёТе:1п, снимаемый с контактов, расположенных на линии фотоприемника перпендикулярной оси у, линейно изменяется в области координат Х/к = (-0,56 0,56) с инверсионным центром в точке X/ к = 0. Зависимость выходного сигнала от координат локальной засветки симметрична относительно оси х, меняя знак при смене направления координаты х на противоположное. Область его линейного изменения с координатой локальной засветки представляет собой круг с центром приемного элемента и радиусом г0/к = 0,33.

3. Величина выходных сигналов пяти контактных ПЧФ на основе слоев пСс!Те:1п линейно возрастает с ростом тока и интенсивностью локальной засветки фотоприемных элементов, что согласуется с теоретическими расчетами. Однако эксперементальная область линейной зависимости выходных сигналов от координат локальной засветки шире теоретически рассчитанной величины на 10 — 13 %. Удельная координатная чувствительность 5-контактных ПЧФ, изготовленных на основе слоев пСс!Те:1п, полученных в оптимальных технологических условиях, составляет величину

15,5 мВ/мм-мкА-мВт.

4. Данные экспериментального исследования 5-контактных ПЧФ на основе полученных в оптимальных технологических условиях слоев пСсГГе.Тп свидетельствуют о том, что они могут использоваться как двухкоординатные датчики линейных смещений светоизлучающих объектов в области фотоприемного элемента радиусом г0//? = 0,26, а как однокоординатные датчики линейных смещений светоизлучающих объектов — в области координат светового зонда У/к = (-0,75 0,75).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Клюканов А. А. Технология и конструирование в электронной аппаратуре / А. А. Клкжанов, Э. А. Сенокосов, Д. Е. Богинский, В. В. Сорочан, Л. В. Фещенко / / 2003. № 1. С. 49 — 51.

2. Марченко А. Н. Полупроводниковые сенсорные потенциометрические элементы / А. Н. Марченко, С. В. Свечников, А. К. Смовж. М.: Радио и связь, 1988.

3. Полупроводниковые фотоприемники и преобразователи излучения / под ред. А. И. Фримера, И. И. Та-убкина. М.: Мир, 1965.

4. Сенокосов Э. А. Получение и физические процессы в монокристаллических слоях и пленочных гетеропереходах соединений АПВУ1 на сапфире: дис. ... д-ра физ.-мат. наук / Э. А. Сенокосов. Кишинев,

1989.

5. Сенокосов Э. А. Позиционно-чувствительные фотоприемники на основе слоев nCdTe:In / Э. А. Сенокосов, В. В. Сорочан // Вестник Приднестровского университета. № 2 (20). 2004. С. 105 — 109.

6. Соболева Н. А. Фотоэлектронные приборы / Н. А. Соболева, А. Е. Меламид / / М.: Высш. шк.,

1974. С. 354.

7. Сенокосов Э. А. Способ измерения спектрального распределения стационарной фотопроводимости полупроводников / Э. А. Сенокосов, Д. А. Шербан, А. А. Клюканов, С. А. Сергеев, В. М. Федоров, А. Н. Усатый / / АС СССР. № 1 499 119. Приоритет от 1. 12. 87. Опубл. 8. 08. 89.

8. Клюканов А. А. Двукоординатные фотодатчики на основе однородных проводящих полупроводниковых пленок / А. А. Клюканов, Э. А. Сенокосов, В. В. Сорочан, Л. Д. Цирулик // ЖТФ. 2003. Т. 73. С. 123 — 125.

9. Клюканов А. А. Устройство для определения координаты светового пятна / А. А. Клюканов, Э. А. Сенокосов, А. Н. Усатый, В. М. Федоров / /АС СССР. № 1 499 119. Приоритет от 7.01.87. Опубл. 7.08.89.

10. Сенокосов Э. А. Устройство для регистрации слабых световых сигналов / Э. А. Сенокосов, А. А. Клюканов, А. Н. Усатый, С. А. Сергеев, В. М. Федоров / / АС СССР. N° 1 436 796. Приоритет от 12. 08. 86. Опубл. 8. 07. 88.

11. Niu Н. A position-sensitive MOS device using lateral photovoltaic effect / H. Niu, C. Aoki, T. 'Matsuda [et al.] // Jap. J. Appl. Phys. Vol. 26. №. 1. January. 1987. P. L35 — L37. * '

Поступила 14.03.07.

УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ДЛИН ВОЛН 0,2 — 2 мкм

Ф. А. Болыциков, А. В. Малов,

К. Н. Нищев, кандидат физико-математических наук,

• ^

П. А. Рябочкина, кандидат физико-математических наук, С. Н. Ушаков, кандидат физико-математических наук

Автоматизация процессов управления приборов и цифровая обработка информации является неотъемлемой частью современного физического эксперимента. Во многих случаях оптические схемы имеющихся приборов, предназначенных для проведения спектроскопических измерений, являются вполне удовлетворительными для осуществления экспериментов. При этом, однако, современный уровень развития компьютерной техники и технологий предполагает решение задач по сопряжению данного прибора с ПК. Структурная схема модернизированного спектрального комплекса с соответствующим программным обеспечением приводится, например, в работе [1].

Целью настоящей работы явилось создание устройства для автоматизации процессов регистрации спектров поглощения и люминесценции на базе монохроматора МДР-23, производства АО «Ленинградский оптико-механический завод».

Установка для регистрации спектров поглощения и люминесценции включает в себя ис-

1

точник излучения, фокусирующую оптику; исследуемый образец, фотоприемник, силовой блок, блок управления, ПК. Блок-схема этой установки показана на рис. 1.

Для управления шаговым двигателем (ШД) монохроматора и преобразования аналогового сигнала с выхода фотоприемника создано уст-

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-02-00055а

© Ф. А. Болыциков, А. В. Малов, К. Н. Нищев, П. А. Рябочкина, С. Н. Ушаков, 2007