Источник электромагнитного излучения

 

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоположных боковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскостям другйй пары боковых граней, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьппения ст-абильности интенсивности излучения по управляющим воздействиям , пластина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщина в направлении, перпендикулярном граням основания, соизмерима с диффузионной длиной, но больше обратной величины коэффициента {лезкдузонного поглощения, причем скорости поверхностной рекомбинации на протпвопо ложных гранях отличаются не менее чем на порядок. СО О5 да / .

COIO8 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„.,SU„„1023676 А у ) Н 05 В 33 12, Н.,01 ). 33/00

Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3298501/18-25 (22) 08.06.81 (46) 15.06.83 ° Бюл.922 (72) С.С. Болгов, В.К. Иалютенко и В.И. Пипа (71) Институт полупроводников AH Украинской CCP (53).621.382(088.8) (56) 1. Патент Франции Р 2251104, кл. Н 01 Li 33/00, апублик. 1975

2. Патент Франции В 2199212, кл. Н 01 5 3/18, g 01 3 3/10, опублик. 1974:(прототип). (54)(57) ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоПоложных боковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскостям другбй пары боковых граней, о т л и— ч а ю щ и и с. я тем, что, с целью повышения стабильности интенсивности излучения по управляющим воздействиям, пластина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщина в направлении, перпендикулярном граням основания, соизмерима с диффузионной длиной, но больше обратной величины коэффициента Междузонного поглощения причем скорости поверхностной рекомбинации на противопо-. ложных гранях отличаются не менее чем на порядок.

1023676

Изобретение относится к оптоэлентФейкма и может быть использовано в экспериментальной физике и из мерительной технике в качестве стабильного источника излучения.

Известен полупроводниковый источ- 5 ник.электромагнитного излучения, содержащий излучающий р-и переход и два омических контакта для подачи иещряжения $1) .

При подаче напряжения на контакты 10 в прямом направлении происходит инжекция носителей из одной области .. р-и-перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием фотона.

Иижекиионный ток и соответствующее ему иэлучение бистро возрастают с увелачением напряжения смещения 7 .

Интенсивность излучения в этом случае ц закону "диодного уравнения"

20 (1) ?-cV где С вЂ” конатанта", и -число, большее единицы.: Недостатком этого источника являет25 ся нщэкж стабильность выходящего излучения, Ввиду сильной зависимости излучения от прилсженного напряжения амеащния. Кроме того, приборы с р -й-переходом, выполненные из уз- ЗО козонных материалов, могут работать только в условиях низких температур.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является источ ник электромагнитного излучения, со- „ 5 держащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоположных.бо-, ковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпен- 4р дикулирно плоскостям другой пары . боковых граней 2) . . Величина магнитного поля выбирает.ся достаточно большой так;.чтобы вы-, полиявось услозие квантования энер.@л гии нжателей >1, а величина электрического психи выбирается доста. точно болыаой так, чтобы наблюдалось резкое уменьшение удельного сопротив-5р ления указанного полупровадиика.

При помещении полупроводника s маг - нитнее пеле, удовлетворяющего условив 69 4

C® . 1 где 8 — заряд электрона, 5 -55 индукция магнитного поля;е - эффек.,тивная масса носители заряда .,ь .- вре мя свободно| о пробега носителей заряда,. яаблюдаетса расщепление непрерывного спектра, например эоны прово-бп дивюати иа диавретиие уровни (уровни .

Ландау) и вместс обычного соотношения пЧс 1

С

С справедливого для параболической зоны изотропного полупроводника, можно записать выражение (3}

E=Ec " 1 "с с+ где Š— дно зоны проводимости; и с

М

,целое положительное число, яс-eS/в, Таким образом, дно зоны проводи-!

n4)c мости приподнимается на, а ,енергетический зазор между уровнями Ландау становится равным } <ос, Кквазиимпульс носителя заряда, КНсоставляющая квазиимпульса, параллельная направлению магнитного. поля.

В полупроводнике в отсутствие электрического поля электроны распределяютая по квантовым уровням энергии в соответствии с температурой решетки, занимая нижние уровни. При включении электрического поля достаточно большой величины можно выз вать нагрев ансамбля электронов, ж.е. увеличить их энергию и забросить на более высокие уровни энергии. Обратный переход электронов на нижние уровни происходит с высвобождением энергии в виде, квантов электромагнитного излучения (фотонов).

Процесс квантования реализуется .при условии Иыс>к1,т.е. для заметного эффекта квантования при реально достижимых величинах магнитного поля необходимы низкие температуры. По этой прннине полупроводниковый элемент помещают в гелиевый криостат, а магнитные поля достаточно большой величины создаются сверхпроводящим магнитом. Однако, гелиевый криостат и сверхпроводящий магнит являются очень сложными и дорогостоящими устройствами.

Для создания свободных электронов в области низких температур при меняют специальное легирование полупроводника мелкими примесями. При этом проводимость полупроводника становится монополярной, а выходящее излучение источника лежит в далекой

ИК-области, что в значительной мере ограничйвает область его применения и усложняет технологию изготоЬления активного элемента.

Основным недостатком предлагаемого источника является низкая стабильность выходящего излучения. Действительно. изменение величины электрического.поля приводит к изменению йнтенсивности излучения, поскольку от величины электрического. поля зависит населенность верхних уровней энергии. Изменение величйны магнитного поля вызывает смещение энергетических уровней, что также приводит к изменению как спектральной, так и интегральной мощности излучения.

1023676

» дения уменьшает степень заполнения верхних уровней энергии объекта.

Предлагаемое устройство отличает-; ся от известных тем, что оно базируется на явлении отРИцательной лю- минесценции,. Интенсивность такой мощности изменения в пределах от рав новесного значения РО до нуля.

При этом величина Р определяется через мировые константй и параметры полупроводника, не зависящие от управляющих воздействий. Таким абразом видно, что при достижении предель ной глубины модуляции равной Рц амплитуда выходящего излучения перестает зависеть от интенсивности внешних воз действий и их флуктуаций, что сущест.венным образом снижает требования к стабилизации уровня внешних воздействий, значительно упрощает конструк« цию блоков питания и повышает метрологические характеристики источника излучения.

Для реализации отрицательной лю, минесценции в полупроводниках необ-! ходимо добиться уменьщения концентра" ции носителей заряда относительно .,их равновесного значения и;(о 0„), 2 при этом плотность рекомбинациойного излучения из кристалла становится меньше своего равновесного значения

Р, . При сильном истощении кристалла, когда, (й, излучение спадает до

О, а глубина модуляции излучения ,ЬР стремится к Po . Здесь величина Ро является только той частью равновесного излучения полупроводника, кото рая соответствует рекомбинационному излучению электронно-дырочных пар, а спектр излучения представляет со- ,бой часть кривой спектрального расйределения!Планка (графический закон, спектрального распределения излучения абсолютно черного тела), которая соответствует энергии перехода зоназона и формируется стапионарным ре комбинационным излучением носителей

Ic концентрацией Ь, Р„ Можно вычис Л лить. по Формуле

МТЕР Е6/kT Р =(»-R) —,в

A c% (4) . «3 6 — ag

»где К - коэффициент отражения, полупроводника; К - постоянная Больцмана/ Т - абсолютная температура, Eg - ширина запрещенной зоны; с скорость света; и = Q /2t и % - постоян:ная Планка.

В предлагаемом устройстве уменьшение концентрации носителей заряда обусловлено биполярным истощением объема полупроводника в условиях магнитоконцентрационного эффекта. ,Сущность эффекта заключается в следующЕм. При помещении ограниченноПри термодинамическом равновесии со средой поглощение, теплового излучения среды объектом полностью компенсируется его тепловым испуска,нием Ро . Люминесценция объекта возникает при нарушении термодинамичес-, кого равновесия РОРО.При том в за- .5О. висимости от соотношения между равно- . весной и неравновесной заселеййостями уровней энергии обьекта полная мощность: излучения Р может бить как больше, так и меньше мощности равновесного.яэла- 55 чения Рб . Первому случаю соответству" ет хорошо известная и подробно изученная "положительная" люминесценция jP=P-Р О, когда энергия внешнею воздействия идет на увеличение степе- щ ни заполнения верхних уровней энер-: . гии объекта. Во втором случае мощность люминесценции отрицательная

ЬР=Р-.Р «О (отрицательная люминесцеиция)> вдеаь энергия внешнего возбужЦелью, изобретения является повышение стабильности интенсивности из.лучения по управляющим воздействиям. . Поставленная цель достигается тем, что в известном источнике электромагнитного излучения, содержащем пря 5 моугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоположных боковых гранях которая-помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскос- j0 тям другой йары боковых граней, пластина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщина в направлении перпендикулярном граням основания, соизмерима с диФФУзионной длиной, но больше обратной величины коэффициента междузонного поглощения,. причем скорости поверхностной рекомбинации на-противоположных гранях основания отличаются не менее чем на порядок. 20

На фиг.1 дано схематическое изобра жение устройства, на фиг.2 — распределение концентрации носителей по толщине пластины в направлении, перпендикулярном граням основания на Фиг. 3 -.зависимость интенсивности отрицательной люминесценции излучения от электрического поля источника из "4пбЪ.

Устройство, содержит полупровод- 30 никовую пластину 1, боковые грани

2-5, грани основания 6 и 7, токовые электроды 8„ магнит 9, источник электрического поля.10, направление излучения 11, равновесное распреде- З5 ление носителей в отсутствие внешних воздействий 12, распределение носителей при включенных электри-.. ческом и магнитном полях 13. Зависи мость для Р =5 кгс - 14, зависимость 4О для В =10, кгс-15

Устройство работает следующим образом.

1023676

ro полупроводника с оиполярной проводимостью в скрещенные электри, ческое (Е1 и магнитное (B) поля пространственное распределение носителей тока в нем становится cy-! щественно неоднородным (возникает 5 поперечный градиент электронно-дырочных пар) . Если один из поперечных полному току размеров кристалла сравним по величине с биполярной диффузионной длиной,, то пространственное распределение носителей ва .весм объеме кристалла отличается от . равновесного. Перераспределение носителей максимально в случае., если скорости поверхностной рекомбинации на противоположных (нормальных к градиенту концентрации носителей гранях)сильно различаются по величине.

В случае, если полупроводник имеет монополярную проводимость, данный эффект не наблюдается, поскольку 20 возникающее поле Холла препятствует значительному перераспределению носителей заряда. В биполярном полупроводнике градиент концентрации носителей не создает заметного поля Холла, поскольку перенос осуществляется парами частиц (электрон и дырка) с равными компенсирующими друг друга электрическими зарядами, Устройство работает следующим oe-. 50 разом.

В отсутствие внешних полей (либо одного из них) из полупроводниковой пластины 1 через ее грань б в на:.правлении 11 выходит равновесный

35 поток излучения с плотностью Ро, которую можно расчитать по формуле (4) . При включении электрического (Е) и магнитного (В) полей, в таком направлении, как это показано на фиг.1,40 под действием силы Лоренца F Ett .происходит вследствие дрейфа электронно-дырочных пар, перераспределение носителей заряда по толщине пластины в -направлении. При этом концент45 рация носителей вблизи грани б значительно уменьшается (Фиг.2) и становится ниже равновесного значения И„ при дальнейшем увеличенииF и Н койцентрация свободных электронно-дыроч 50 ных пар и соответственно интенсивность рекомбинационного излучения выходящего через грань б уменьшается, в пределе приближаясь к нулю, а глубина модуляции излучения стремится к Р (фиг.З), Из фиг..3 видно, что при цОСтижении некоторых знаЧений Б и В: полевая зависимость излучения выходит на уровень насыщения и в дальнейшем не зависит от. величины внешних воздействий и их флуктуаций. Иаобольше го перераспределения носителей заряда по толщине пластины и более глубокого (необходимого для нормальласти кристалла вблизи грани б при .толщине пластины, сравнимой с 1., 65 можно получить, если скорости поверхностной рекомбинации на гранях б и 7 сильно различаются (по крайней мере на порядок). и грань 6 имеет мень. шее значение. Если толщина пластины сравнима с диффузионной длиной, то область пониженной концентрации носи" телей (область истощения) охватывает практически весь кристалл, и электронно-дырочные пары за время жизни успевают подрейфовать под действием силы Лоренца от грани б до грани 7, имеющей большую скорость поверхностной рекомбинации, на поверхности которой безизлучательно рекомбинируют на поверхностных дефектах.

Из фиг.2 видно, что в условиях магнитоконцентрационного эффекта не удается полностью удалить носители заряда из кристалла. Часть носителей сосредоточена в области сжатой диффузионной длины Ьс вблизи грани 7.

При этом L« много меньше диффузионной длины Ь . При выполнении усновия 2 d » где al — коэффициент пог4 лощения междузонного излучения, излучение, возвикающее .при рекомбинации свободных носителей в области сжатой диффузионной длины, не выходит -через грань 6, поскольку истощенная достаточно толстая часть кристалла пракФи-, чески полностью поглощает это излучение. Таким образом, толщина пластины должна быть порядка диффузионной длины, но больше обратной величины коэф" фициента поглощения междузонного излучения полупроводника. Эти условия хорошо выполняются в прямозонных полупроводниках типа 1 65, 2; и Р,С3 НАФТО и т.д.

Для нормальной работы устройства магнитные поля должны быть классически слабыми (неквантующими и не замагничивающими), если магнитные поля будут квантующими, то происходит изменение ширины запрещенной зоны на Ьс) / 2 и нарушается равновесное распределение носителей заряда по уровням энергии.

В таких УсловиЯх Рв бУДет ФУнкЦивй

Н, что приводит к зависимости от внешних управляющих воздействий оцного из пределов изменения максимальной амплитуды отрицательной люминесценции.

Если магнитные поля будут замагничивающие, т.е. Удовлетворять условию

В ,то эффект замагничивас р ния носителей будет затруднять дрейф пар в -удравлении и препятствовать достижению второго (нулевого) предела

;отрицательной люминесценции. Таким образом, для стабильной работы источника излучения магнитные поля должны .й удовлотворять условию с" Pp g,йЖдв с > эффектами квантования и замагничивания, можно пренебречь..

1023676

7

Пример. Выполняется активный элемент излучателя из нелегированного цбЬи представляющий собрй прямо-, угольный параллелепипед с характерны. ми размерами 0,5х0,2х0,001 см>. При комнатной температуре концентрация собственных носителей составляет

2 10 см, что обеспечивает собственную проводимость -полупроводника, т.е. h< » Nd где Hd - концентрация неконтролируемой примеси. Одна из. широких граней пластины, с которой наблюдалось излучение, травится в CP-4, а другая шлифуется абразивным порошком, с целью получения сильно различающихся скоростей по" 15 верхностной рекомбинации на этих гранях. Контакты припаиваются индием с флюсом Zn,CKg к боковым граням кристалла. Это обеспечивает их омичность в широком интервале прикладываемых электрических полей. Магнитное поле создается постоянным магнитом из кобальтового сплава, Электрическое

° ф поле прикладывается в виде прямоугольных импульсов с целью получения модулй". рованного потока излучения и уменьшения джоулевого разогрева кристал,ла. Сигнал люминесценции регистрируется фотосопротивлением 6(Ан . .охлажденным до 77 К и поступает на осциллограф. .На Фиг.3 представлены результаты экспериментальных исследований полевых характеристик разработанного источника излучения. Как видно из графика интенсивность свечения с ростом 35 электрического поля достигает определенной величины и затем практически не меняется при дальнейшем увеличении поля Е. Измерения показывают, что глубина модуляции рекомбинационного излучения по абсолютной величине равна расчетной величине Pp . При

Т=290 К Po=? 10 3 Вт/см

Если участок насыщения выбрать в качестве рабочего, то сигнал люминесценции не зависит от флуктуаций

Е и В полей. Это значительно упрощает схему питания источников излучения и повышает метрологические характеристики предложенных излучателей, что дает возможность использовать предложенный источник в качестве эталонного. Мощность излучения в области насыщения зависит от температуры.

Это свойство позволяет устанавливать необходимую величину сигнала калибров ,. ки.

Инерционность свечения предложенного источника излучейия определяется объемным временем жизни носителей заряда и составляет для Z, 5Ú при койнатной температуре 10 Эс.

Спектр излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника.

Источник излучения имеет следую. щие технико-экономические преимущест ва. работает в области комнатных тем-! ператур, работает в области малых магнитных полей, стабильно работает при неконтролируемых флуктуациях внешних управляющих полей, что значительно упрощает конструкцию источников электрического и магнитного полей, мощность излучения точно ðàñчитывается по аналитической формуле данный источник излучения МохсНо использовать в качестве эталонного при проведении научно-исследовательских работ.

1023676

ВНИИПИ Заказ 4243/51 Тираж 845 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4