Способ измерения мощности электромагнитного излучения и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеслублик. К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 25. 12. 80 (21) 3227027/18" 25 Р 1 М К з Н 01 Ь 31/08 с присоединением заявки М Государственный комитет СССР по делам изобретений и открцтийОпубликовано 07. 01. 83.Бюллетень Йо 1 Дата опубликования описания 0701.83 И.Н,Котельников, Н,А,Мордовец: и А.Я,Шульман -,к./ Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР,/(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 20 Изобретение относится к иэмеритель ной технике, а именно к полупроводниковым фотоприемникам, предназначенным для измерения мощности и временных характеристик лазерного излучения ИК- диапазона.Известен способ измерения мощнос-ти электромагнитного излучения, основанный на поглощении измеряемого излучения полупроводником с рождени.ем при этом пары электрон-дырка с последующим их разделением в поле р-и перехода йли в области барьера Шоттки, образованного в месте контакта металл-полупроводник. Фотоприемники, осуществляющие этот способ, отличаются малыми габаритами, низкими питающими напряжениями, широким спектральным диапазоном (1).Недостаток этих Фотоприемников большая постоянная времени,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения мощности электромагнитного излучения, при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изготовленный из этого полупроводника детектор, измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от деления фотоотклика на фоточувствительность детектора.В этом способе облучают, электромагнитным излучением полупроводнико вую пластину и измеряют фото-ЭДС, которая возникает в результате поглощения электромагнитного излучения свободными носителями полупроводниковой пластины с передачей. им импуль"са электромагнитной волны.Известен полупроводниковый Фото" приемник, реализующий указанный способ, выполненный в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала (2).Известный способ и полупроводниковый фотоприемник для его осуществления из-за малой величины поглощения обеспечивает недостаточно высокую чувствительность, в частности при измерении импульсов СО- лазера порядка 10- 10 ЬВ/Вт.Кроме того, согласно известному способу, время отклика полупроводникового Фотоприемника определяется, временем распостранения излучения по полупроводнику. Поскольку длина полу 987713проводниковой пластины составляет несколько сантиметров, это соответствует времени отклика с 3 10-"цс. Сущест"вующие лазеры генерируют импульсыпикосекундной длительности, что требует уменьшения ь детекторов по крайей мере на порядок. 5Цель изобретения " повышение чувствительности и уменьшение времениоткликаЭта цель достигается тем, что согласно способу измерения мощности элекО.тромагнитного излучения, при которомизмеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного погло"щения полупроводника, направляют наизготовленный иэ этого полупроводника детектор, измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от деления фотоотклика на фоточурствительность детектора, выбирают полупроводник с частотой плазменного отражения выше частоты измеряе"мого излучения, излучение направляютна туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в качестве фотоотклика измеряют изменение сопротивления туннельного перехода.Устройство для измерения мощностиэлектромагнитного излучения выполнено в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически ЗОсоединенными с блоком измерения электрического сигнала, при этом полупроводниковая пластина изготовлена изсильнолегираванного полупроводника,а один из контактов выполнен в виде д 5туннельного перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки,.причем слойметалла полупрозрачен для измеряемого излучения,На чертеже приведена схема полу"проводникового детектора излучения.Детектор состоит из полупроводниковой пластины 1 из сильнолегированного полупроводника, омического 2 итуннельного 3 металлических койтактов, причем контакт 3 является полу"прозрачным для измеряемого излучения.физические процессы, лежащие в основе предлагаемого способа измерениямощности электромагнитного излученияи устройствадля его осуществления, 50можно описать следующим образом.В полупроводнике вблизи границыс металлом образуется потенциальныйбарьер Шоттки, что приводит к образованию обедненного носителями слоя и 55смещению границы электронного газавглубь от поверхности полупроводника.Длина обедненного слоя, т.е. толщинапотенциального. барьера Шоттки, опре"деляет вероятность туннелированияэлектронов через барьер Шоттки, аследовательно, сопротивление туннель"ного контакта металл-полупроводник.Пусть на туннельный контакт металлполупроводник падает электромагнитноеу 5 излучение перпендикулярно границе раздела между полупроводником и металлом. Если частота этого излучения ниже частоты плазменного отражения для данного полупроводника, то про" ,исходит эффективное отражение излучения от электронного газа полупроводйика, что сопровождается передачей импульса излучения электронам (свето" вое давление) и,соответственно приводит к смещению границы электронного газа (увеличению длины обедненного слоя); Последнее влечет за собой изменение туннельного сопротивления контакта металл-полупроводник.Для измерения фотоотклика такого детектора используют обычную электрическую схему, включающую в себя последовательно соединенные детектор, сопротивление нагрузки, источник ЭДС. При этом на сопротивлении нагрузки измеряют изменение напряжения, вызванное изменением сопротивления детектора (туннельного контакта) под действием электромагнитного излучения и вычисляют мощнос=ь как частное от деления величины изменения напряжения на сопротивлении нагрузки к величине чувствительности.Одним из основных преимуществ предлагаемого способа измерения мощности электромагнитного излучения по сравнению с известным на основе эффекта увеличения электронов фотонами является более высокая чувствительность. Расчеты показывают, что при размерах приемной площадки, обеспечивающих равное с известным способом быстродействие, чувствительность может быть выше на два порядка. Умейьшая диаметр приемной площадки, можно увеличить быстродействие, отношение же чувствительности к постоянной времени остается при этом неизменным.К преимуществам данного способа относится также воэможность использования планарной технологии изготовления туннельных контактов. На поверх" ность полупроводниковой пластины (толщина ее может быть ) 10 мкм) наносится тонкий слой металла, а затем с помощью фотолитографии лишний металл удаляют, оставляя на поверхности пла" стины металлические кружки нужного диаметра, Поскольку для обеспечения оптимальных параметров детекторов диаметр таких кружков должен составлять десятки или единицы микрон, таких кружков-контактов на 1 см поверхности полупроводниковой пластины может быть более 1000 штук, что позволяет, В принципе, с помощью такой матрицы детекторов измерять распреде" ление энергии по площади пучка.Кроме того, благодаря малым размерам предлагаемого детектора на основе туннельного контакта металл-полупроводник при современной технологии987713 или лелю Составитель А,Егоров дактор А.Мотыль Техред О.Неце Корректор Н.Король/42 ВНИИПИпо делам 113035,Тираж 701 Подписноосударственного комитета СССРизобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д. П Патент, г.ужго Филиал ул.Пр тн имеется возможность совместить в одном полупроводниковом. кристалле детектор и усилитель электрического сигнала. Формула изобретения 51. Способ измерения мощности электромагнитного излучения,при котором измеряемое излучение с частотой, лежа" щей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изго товленный из этого полупроводника детектор,измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность,как частное от деления фотоотклика на фоточувствительность детектора,о т л и ч а ю щ и йс я тем,что,с целью повышения чувствительности и уменьшения времени отклика,выбирают полупроводник с частотой плазменного отражения выше частоты измеряемого излучения,излучение направ ляют на туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в качестве фотоотклика измеряют изменение сопротивления туннельного перехода. 2. Устройство для измерения мощности электромагнитного излучения,выполненное в виде полупроводниковойпластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала, о т л ич а ю щ е е с я тем, что полупроводниковая пластина изготовлена из сильнолегированного полупроводника, а одиниз контактов выполнен в виде туннельного перехода металл-полупроводникс барьером Шоттки, причем слой метал"ла полупрозрачен для измеряемого излучения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения, М., Наука,1968, с. 22-31.2. Рывкин С.М. и Ярошецкий Н.Д.Увеличение электронов фотонами в полупроводниках. Проблемы современнойфизики. Сб, статей к 100-летию Иоффе А.Ф. Ленинград, Наука, 1980,с. 173-184 (прототип) .