Инфракрасный фотоприёмник, работающий при наличии фонового освещения

Как известно из литературных данных [1-5], регистрация слабой интенсивности инфракрасного излучения является одной из основных проблем в области оптоэлектроники. Чувствительность существующих инфракрасных фотоприёмников, работающих в основном на изменение фотосопротивления материала [1-5], недостаточна для регистрации низкой интенсивности инфракрасного излучения. Не все фотоприёмники могут регистрировать инфракрасные излучение при наличии фонового (интегрального) освещения. В настоящее время во многих областях науки и техники требуются высокочувствительные инфракрасные фотоприёмники, работающие при наличии достаточной интенсивности фонового освещения.

В связи с этим целью данной работы явилось изучение фотоэлектрических свойств сильно компенсированного кремния легированного марганцем с максимальной концентрацией электроактивных атомов в условиях сильной компенсации и возможности создания принципиально новых видов инфракрасных фотоприёмников, регистрирующих слабые потоки инфракрасного излучения при наличии достаточной интенсивности фонового освещения.

Для исследования в качестве исходного материала использован промышленный монокристаллический кремний КДБ-1, с концентрацией бора N_B=2·10¹⁶ см^-3. Сильно компенсированные материалы p-Si<B,Mn> с удельными сопротивлениями ρ=10²÷2·10⁵ Ом&#;см получали с помощью диффузии атомов марганца из газовой фазы [8] .

Спектральная зависимость фотопроводимости определялась на установке ИКС-21, в температуре Т=77 К при наличии фонового освещения. Фоновое освещение создавалось обычным интегральным освещением различной интенсивности. После установления стационарного значения фонового фототока, снималась спектральная примесная фотопроводимость в области инфракрасного излучения h&#; =0.2÷1.1 эВ.

Для исследования удельного сопротивления на коэффициент чувствительности материала нами исследовано спектральная зависимость фотопроводимости образцов с различными удельными сопротивлениями при наличии постоянного интегрального освещения. Из рисунка (рис.-1, крив.-1,2,3) видно, что независимо от удельного сопротивления образцов p-Si<B,Mn> значения фототока практически не меняются в интервале энергии падающих фотонов h&#;=0.2÷0.4 эВ а, начиная с h&#;&#;0.4 эВ происходит уменьшение фототока достаточно резко, т.е. имеет место инфракрасное гашение фотопроводимости [7]. Следует отметить, что в сильно компенсированных образцах p-Si<B,Mn> с удельным сопротивлением ρ&#;2·10⁵ Ом&#;см, с увеличением энергии фотонов в интервале h&#;=0.4÷0.48 эВ фототок уменьшается. Это гашение имеет своё максимальное значение при h&#;=0.47÷0.48 эВ. При этом кратность гашения, т.е. уменьшение фототока относительно значения фонового тока (, где – значение фонового фототока, – значение фототока при дополнительном освещении инфракрасным светом) достигает 5÷6, порядков, т.е. всего в интервале энергии фотонов инфракрасного света h&#;=0.4÷0.48 эВ фототок уменьшается на 5÷6 порядков. Дальнейшее увеличение энергии фотонов инфракрасного света приводит к уменьшению кратности гашения, а при h&#;=0.57 эВ значении фонового фототока восстанавливается, т.е. процесс инфракрасного гашения фотопроводимости прекращается и затем, независимо от наличия достаточного значения фонового света (фонового фототока), начиная с h&#;&#;0.57 эВ, наблюдается существенная примесная фотопроводимость. Таким образом, в интервале h&#;=0.4÷1.1 эВ наблюдается достаточно высокая чувствительность этих образцов инфракрасного света при наличии фонового (интегрального) освещения.

Рис.-1. Спектральная зависимость фотопроводимости в образцах р-Si<В,Mn> при Т=77 К, Е=20 В/см.

1. ρ&#;2·10⁵ Омсм, 2. ρ&#;5·10⁴ Омсм, 3. ρ&#;4·10³ Омсм.

Результаты исследования показали, что в интервале энергии фотонов h&#;=0.4÷0.48 эВ (где, в образцах p-Si<B,Mn> с удельным сопротивлением ρ&#;2·10⁵ Ом&#;см кратность гашения составляет 6 порядков) с уменьшением удельного сопротивления материала кратность гашения уменьшается, и энергия, соответствующая максимальному значению гашения (крив.-1,2,3) смещается в сторону больших энергий. Также следует отметить, что такая сильная спектральная зависимость и аномально глубокое инфракрасное гашение фотопроводимости имеется в интервале значение фототока , т.е. в достаточно широком интервале значения фонового фототока.

Инфракрасное гашение фотопроводимости наблюдалось во многих фоточувствительных полупроводниковых материалах [6,7], однако столь глубокое инфракрасное гашение фотопроводимости (где кратность гашения составляет 6 порядков) как нами известно, ещё не обнаружено ни в одном полупроводниковом материале.

На рис.2 представлен спектр инфракрасного гашения фотопроводимости в образцах p-Si<B,Mn> с удельным сопротивлением ρ&#;2·10⁵ Ом&#;см при наличии постоянного значения фонового тока при различной интенсивности (мощности).

Рис.-2. Спектральная зависимость фотопроводимости в образцах р-Si<В,Mn> с удельным сопротивлением ρ&#;2·10⁵ Ом&#;см при Т=77 К, Е=20 В/см, мощность инфракрасного излучения; 1., 2., 3. 4. .

Интенсивность инфракрасного излучения управлялась с помощью эталонного фильтра. Как видно из рисунка (крив.-1,2,3,4), с уменьшением интенсивности инфракрасного излучения начало и положение максимума гашения практически не меняется, а конец гашения слабо смещается в сторону меньшей длины волны инфракрасного подсветка. Установлено, что в зависимости от значения фонового тока минимальная пороговая мощность инфракрасного излучения составляет .

Результаты исследования показали, что в зависимости от значения фонового тока инфракрасное гашение фотопроводимости в сильно компенсированном кремнии легированном марганцем p-Si<B,Mn> с удельным сопротивлением ρ&#;2·10⁵ Ом&#;см имеется в интервале температур Т=77÷180 К, т.е. температурная область работы таких фотоприёмников составляет Т=77÷180 К.

Определено оптимальное удельное сопротивление компенсированного кремния легированного марганцем для регистрации минимальной мощности инфракрасного излучения при наличии максимального значения интенсивности фонового света, а также экспериментально определены основные параметры таких фотоприемников в зависимости от удельного сопротивления самого материала.

Литература:

1. Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др. Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов. Издательство: Радио и связь, 1985 г.

2. О.Ермаков. Прикладная оптоэлектроника. Издательство: Техносфера, 2004 г.

3. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов 2 том. Москва, МИР. 1984 г.

4. Э.А.Шевцов, М.Е. Белькин. Фотоприёмные устройства волоконно-оптических систем передачи. Издательство: Радио и связь, 1992 г.

5. Э.Удда. Волоконно-оптические датчики. Издательство: Техносфера, 2008 г.

6. Bakhodirkhanov M.K, Zikrillaev N.F, Sadullaev A.B. Anomalli deep infrared quenching of photoconductivity in strongly compensated semiconductor. 5-th International Symposium on Advanced Materials, 25.09.1997 у . Pakistan.

7. А.Роуз. Основы теории фотопроводимости. Мир. 1966 г.

8. Б.И. Больтакс, М.К. Бахадирханов. Компенсированные кремний. Л. Наука 1972 г.