Детектор линейно-поляризованного излучения

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 щ 67 634 Саез Соеетсккх Соцналнстнчеокнх Республик(23) Приоритет сударстееннын коинтет публиковано 07.11.80. Бюллетень41ата опубликования описания 07.11.80Ю. В. Рудь и Г. А. Медведкин Ордена Ленина физико-технический инсти им. А, Ф, Иоффе54) ДЕТЕКТОР ЛИ НЕЙ НО-ПОЛЯ РИЗОВАН НИЗЛУЧЕНИЯ Изобретение относится к полупроводни ковым приборам, чувствительным к элек тромагнитному излучению, и может быть применено для детектирования линейно- поляризованного излучения во всей спектральной области чувствительности прибора.Известно большое число полупроводниковых фотоэлектрических приборов на изотропных материалах, преобразующих электромагнитное излучение в широком спектральном диапазоне в сигналы электрического тока; фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и другие. Столь большая группа приборов, использующих огромный набор различных материалов таких, как, например, элементы 1 Ч-й группы ле, Я, алмаз), соединения 111 - Ч, твердые растворы на их основе, халькогенидные стеклообразные полупроводники и др., позволяет регистрировать только амплитуду падающего излучения. Это связано с тем, что оптические переходы в изотропных кристаллических и аморфных полупроводниках происходят с равной вероятностью при любой поляризации падающего на них излучения, Поэтому все разработанные к настоящему времени фотоэлектрические приборы используются только с целью регистрации интенсивности падающего на них электромагнитного излучения 1,Поскольку при исследовании их спектров фоточувствительности не была обнаружена зависимость фотоответа от поляризации, то до настоящего времени такие приборы 5 на изотропных полупроводниках считаютсянечувствительными к поляризации излучения. По этой причине в литературе до сих пор даже не обсуждалась возможность непосредственнбго детектирования линейно О поляризованного излучения (ЛПИ) пофотоответу этих приборов.В качестве примера таких приборовможно назвать германиевые и кремниевые серийные фотодиоды и фототранзисторы, 15 фотодиоды из арсенидов индия и галлия,гетерофотодиоды в системе твердых растворов А 1 - ба - Аз и ба - Аз - Р, фото- резисторы на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников. Рассмотрим 20 кратко некоторые основные типы фотоэлектрических приборов. Наиболее распространенными промышленными фоторезисторами является ФС-А 1, ФС-А 4, ФС-А 5, ФСБи т. д, Для этоготипаприборов пас портными данными является спектральнаячувствительность, пороговая чувствительность, интегральная чувствительность и т. д, 0 поляризационной чувствительности какие-либо сведения отсутствуют ,21. Для 30 фотодиодов, например, ФД,ФД-З,ФДК,3ЛФДи для фототранзисторов ФТ, ФТ, изготовленных на кристаллах германия и кремния, в паспортных данных также фигурируют такие параметры, как спектральная чувствительность, интегральная чувствительность, рабочее напряжение, коэффициенты усиления, умножения и т. д. Какие-либо указания о возможностях их использования для детектирования поляризованного излучения отсутствуют 131.Таким образом, недостатком существующих фотоэлектрических приемников из изотропных как кристаллических, так и аморфных полупроводников является их нечувствительность к линейной поляризации электромагнитного излучения.Известен также фотоприемник, чувствительный к линейной поляризации электромагнитного излучения 4.Такой фотоприемник изготовлен на основе ориентированного полупроводникового оптически анизотропного монокристалла, например Сс 16 еРг, или других анизотропных полупроводников типа 11 - Ю - У 2 и содержит энергетический барьер, Величина фотонапряжения на контактах фотоприемника зависит от поляризации-+ + света, например, для СдбеР при ЕС фотонапряжение максимально, при Е 1 С фотонапряжение минимально (Е - электрический вектор светового излучения; С - единичный вектор вдоль оптической оси монокристалла).Недостатками такого фотоприемника являются большая стоимость исходного материала, получаемого пока только в лабораторных условиях; малые размеры получаемых монокристаллов и необходимость в трудоемкой ориентации каждого из. них; невозможность осуществления массового производства приборов, вследствие недостаточной разработки технологии выращивания анизотропных полупроводниковых материалов; ограниченная спектральная область поляризационной чувствительности фотоприемника; непостоянство степени поляризационной чувствительности и невозможность ее изменения при различных длинах волн излучения.С целью получения нового типа детекторов ЛПИ .в качестве детекторов ЛПИ используют известные фотоприемники на основе изотропных кристаллических и аморфных полупроводников (например, Я, бе, СгаАз, СдТе, твердых растворов на их основе, халькогенидных стеклообразных полупроводников и др.), которые производятся промышленностью в широких масштабах.В основупредлагаемого изобретения положено известное явление анизотропии отражения электромагнитной волны, воз 5 10 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 4никающей при наклонном падении луча на поверхность изотропного материала. Явление состоит в том, что излучение с направлением электрического вектора Е электромагнитной волны, перпендикулярным плоскости падения, при и- по= 1, где а н по - показатели преломления изотропного материала и воздуха, соответственно, отражается сильнее, чем излучение с направлением Е, параллельным плоскости падения. Поэтому в изотропном материале сильнее поглощается волна с направлением Е, параллельным плоскости падения луча, чем волна с Е, перпендикулярным плоскости падения.Установлено, что концентрация генерированных в изотропном материале носителей заряда в результате анизотропии поглощения оказывается зависящей от линейной поляризации падающей волны. По этой причине фотоответ, наведенный электромагнитным излучением в изотропном однородном материале либо в барьерной структуре на его основе позволяет непосредственно анализировать ЛПИ, поскольку фотоответ пропорционален концентрации генерированных в материале носителей заряда.На фиг. 1 показано расположение фотоприемника по отношению к падающему излучению; на фиг. 2 - азимутальное распределение фотоответа (фотонапряжения, фототока) фотоприемника при изменении направления плоскости поляризации по отношению к плоскости падения излучения; на фиг. 3 - угловое распределение степени поляризационной чувствительности.Детектор ЛПИ (фиг. 1), например, вслучае применения фоторезистора, представляет собой пластину 1 из изотропиого полупроводникового материала с двумя электрическими контактами 2. Рабочая поверхность пластины 1 расположена под углом а к направлению падения излучения.Применение фотоприемников в качестве детекторов ЛПИ осуществляется при рас. положении их рабочей поверхности под углом 0(а(90 к направлению падения излучения. Излучение с направлением электрического вектора Е, параллельным к плоскости падения ХОЕ луча (фиг. 1) создает фотоответ, больший по величине, чем излучение с Е 1 ХОУ. При изменении направления плоскости поляризации падающего излучения фотоответ на контактах фотоприемника изменяется по закону (см. фиг, 2):Ф(р) =Фсозе+Ф 1 з 1 пр,где ср - угол между Е и 02,45 50 55 60 Ф о и Ф - значения фотоответа при Е//ОХ и Е 1 0 Х, соответственно.Степень пол яризацион ной чувствительности Р, как было установлено авторами заявки, зависит от угла наклона а, коэффициента преломления и изотропного полупроводникового материала и описывается выражением (см. фиг, 3): и - 1 1I и 2 8 д 22 - и С 08 аР(о) = - + ) П - 8 Пйа -1- ПС 08 х Как было установлено, величина Р (а) практически постоянна во всем диапазоне чувствительности фотоприемника и может быть плавно изменена простым поворотом фотоприемника на угол а.Пример ы детекторов Л П И.Для детектирования ЛПИ в лаборатории физико-химических свойств полупроводников ФТИ АН ССР им, А. Ф, Иоффе применялись следующие фотоприемники:а) кремниевый фотодиод ФДв бескорпусном варианте (область спектральной чувствительности 1,0 - 1,7 эВ); б) фотосопротивление на основе и - СдТе (область спектральной чувствительности 1,4 - 2,0 эВ); в) гетерофотоэлемент на основе твердого раствора в системе А 1 - ба - Аз (область спектральной чувствительности 1,3 - 2,7 эВ). Степень поляризационной чувствительности для таких фотоприемникс 1 в достигает 50 - 60%. При оптимальных угЛах наклона а=60 - 70 степень поляризационной чувствительности фотоприемников была высокой и лежала в диапазоне Р =30 - 40 о/оНаряду с этим фотоприемники по предлагаемому изобретению позволяют детектировать ЛПИ в спектральной области от у-лучей до СВЧ-диапазона. Так, например, фотоприемники из кремния и германия детектируют ЛПИ в оптическом и рентгеновском диапазонах, а фотоприемники на основе Я и СОТе - ядерное у-излучение, Важно заметить, что применение детекторов ЛПИ в рентгеновской и ядерной областях спектра является актуальнейшей задачей, поскольку в настоящее время вообще не существует детекторов ЛПИ на эти области спектра, а потребность в них очень велика,Применение известных фотоприемников на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов Л ПИ стало возможным благодаря обнаруженной авторами зависимости степени поляризационной чувствительности фотоприемников от угла наклона рабочей поверхности по отношению к плоскости падения излучения. 5 10 15 20 25 30 35 40 Предложение использовать известные фотоприемники на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов ЛПИ имеет значительные преимущества, так как не требует каких-либо изменений в конструкции выпускаемых промышленностью фотоприемников, производство которых налажено в широких масштабах. Кроме того, применение таких детекторов повышает относительно существующих следующие физические параметры: расширяет диапазон поляризационной чувствительности; увеличивает степень поляризационной чувствительности и обеспечивает ее постоянство по спектру; дает возможность целенаправленно и просто изменять степень поляризационной чувствительности фотоприемников.Основное значение предлагаемого изобретения состоит в том, что его применение дает возможность использовать известные и широко выпускаемые промышленностью типы фотоприемников в совершенно новой для них функции.Экономический эффект от применения фотоприемников на основе изотропных полупроводниковых материалов в качестве детекторов ЛПИ связан с количеством выпускаемых промышленностью приборов этого типа и потребностями науки и различных отраслей народного хозяйства в предлагаемых детекторах. Поскольку применение предлагаемого изобретения позволит значительно улучшить и расширить функциональные возможности как экспериментальных, так и выпускаемых промышленностью приборов и систем, использующих ЛПИ, экономия от его внедрения должна быть велика. По орлентировочным оценкам эта экономия может достичь 5 - 10 млн. руб. Формула изобретения Применение фотоприемника на основе изотропного полупроводникового материала в качестве детектора линейно-поляризованного излучения. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Шайв Дж. Н. Физические свойства и конструкции полупроводниковых приборов. М., Госэнергоиздат, 1963, с, 171 в 2.2, Коломиец Б. Т, Фотосопротивление, Л 1956, с. 9.3. Мосс Т, и др, Полупроводниковая оптоэлектроника. М., Мир, 1976, с. 281 - 399.4. Авторское свидетельствоУо 516321, кл. Н 01 1. 31/00, 1976.671634 2. и+1 Составитель И. АвчиевРедактор Е. Месропова Техред А, Камышникова Корректор С. Серобаб унова, 2 Типография, пр,Заказ 2527/1НПО Поискэ Госуда11 Изд,578 Тираж 857 Подписи овенного комитета СССР по делам изобретений и открытый5, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5