Источник электромагнитного излучения

33 12 За) Н НИЯ Бюл. 922в, В,К. Малютен ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт полупроводников АН Украинской ССР(54)(57) ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий прямоугольнуюполупроводниковую пластину с электрческими контактами на двух противоЯО 1023676 А Положных боковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскостям другбй пары боковых граней, о т л и -ч а ю щ и й с. я тем, что, с цельюповышения стабильности интенсивностиизлучения по управляющим воздействиям, пластина выполнена из собственного полупроводника, а ее толщинав направлении, перпендикулярномграням основания, соизмерима с диФфузионной длиной, но больше обратнойвеличины коэФФициента Междузонногопоглощения 1 причем скорости поверхностной рекомбинации на протпвопо-сложных гранях отличаются не менеечем на порядок.Изобретение относится к оптоэлент 9 айкме и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве стабильного источника излучения.Известен полупроводниковый источ ник электромагнитного излучения, содержащий излучающий р-п переход и два омических контакта для подачи напряжения 1 .При подаче напряжения на контакты 10 в прямом направлении происходит инжекция носителей из одной области-и-перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием Фотона. Иижекиаонный ток и соответствующее еку иэщчение быстро возрастают с увеличением напряжения смещения УБ . Интенсивность излучения в этом случае нодчкняется закону "диодного уравнениями20Ц 1 СУб где С - конатанта", й -число, большее еднньщы.:Недостатком этого источника являет 25 ся нщэкж стабильность выходящего излучения, арвиду сильной зависимости излучения от приложенного напряжения емещния. Кроме того, приборы с ) -И-переходом, выполненные из уз козонных материалов, могут работать только в условиях низких температур,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является источ ник электромагнитного излучения, со держащий прямоугольную полупроводниковую пластину с электрическими контактами на двух противоположных.бо-, ковых гранях, которая помещена в магнитное поле, направленное перпен дикулирно плоскостям другой пары . боковмх граней 2 .. Величина магнитного поля выбирает.ся достаточно большой так;.чтобы вы-, полнялось услозие квантования энерлгии носителей =-1, а величина электрического поля выбирается доста. точно Воаыаой так, чтобы наблюдалось резкое уменьшение удельного сопротмвления указанного полупроводника.При помещении полупроводника в магнитнсе пеле, удовлетворяющего условиюзВСн 1 .1 Где 6 - заряд электрона, Ь ".-55индукция магнитного поля;в- эффек.,тивная масса носителя заряда ,в - вре мя свободноо пробега носителей заряда,. наблюдается расщепление непрерывного спектра, например эоны прово дивюати иа диавретиые уровни ( уровни . Лаадау) и вместс обычного соотношенияпадС %фС справедливого для параболической зоны изотропного полупроводника, можнозаписать выражение Е=Ес ИФ 2 рсдс+где Б - дно зоны проводимости; псМ ,целоеположительное число,я:ЕЬ/в ,Таким образом, дно зоны проводи"пс ф мости приподнимается на, а ,енергетический зазор между уровнями Ландау становится равным .3 РК " квазиимпульс носителя заряда, КН- составляющая квазиимпульса, параллельная направлению магнитного. поля.В полупроводнике в отсутствие электрического поля электроны распределяютоя 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)кТт.е. для заметного эффекта квантования при реально достижимых величинах магнитного поля необходимы низкие температуры. По этой прннине полупроводниковый эле" мент 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 применяют специальное легирование полупроводника мелкими примесями. При этом проводимость полупроводника становится монополярной, а выходящее излучение источникалежит в далекой ИК-области, что в значительной мере ограничивает область его применения и усложняет технологию изготоЬленияактивного элемента.Основным недостатком предлагаемогоисточника является Низкая стабилв"ность выходящего излучения. Действительно. изменение .величины электрического.поля приводит к изменениюйнтенсивности излучения, поскольку от величины электрического. поля зависит населенность верхних уровнейэнергии. Изменение величйны магнитного поля вызывает смещение энергетических уровней, что также приводитк изменению как спектральной, таки интегральной мощности излучения.Целью, 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 О 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. 20На фиг.1 дано схематическое изобра жение устройства, на Фиг.2 - распределение концентрации носителей по толщине пластины в направлении, перпендикулярном граням основания 25 на Фиг. 3 -:зависимость интенсивности отрицательной люминесценции излучения от электрического поля источника из 2 о бЪ.Устройство, содержит полупровод 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 распределение носителей в отсутствие внешних воздействий 12, распределение носителей при включенных электри-. ческом и магнитном полях 13. Зависиф мость для Р =5 кгс - 14, зависимость , для В :10, кгс Устройство работает следующим образом. При термодинамическом равновесии со средой поглощение, теплового излучения среды объектом полностью компенсируется его тепловым испуска,нием Ро . Люминесценция объекта возникает при нарушении термодинамичес-, кого равновесия Р Ф Р,При том в за- .50. висимости от соотношения между равно- . весной и неравновесной заселеййостями уровней энергии обьекта полная мощностьизлучения Рможет бить как больше, так и меньше мощности"равновесного.яэла чения Рб . Первому случаю соответству" ет хорошо известная и подробно изученная фполояительнаяф люминесценция ЬР=Р"Р 0, когда энергия внешнего . воздействия идет на увеличение степе-щ ни заполнения верхних уровней энер-гии объекта, Во втором случае мощ" ность люминесценции отрицательная)ЬР=Р-,Р КО (отрицательная люминесценция вдесь энергия внешнего возбуждения уменьшает степень заполненияверхних уровней энергии объекта.Предлагаемое устройство отличает-;ся от известных тем,.что оно базируется на явлении отДйцательной люминесценции,. Интенсивность такой мощности изменения в пределах от рав- новесного значения РО до нуля.При этом величина Р определяетсячерез мировые константй и параметрыполупроводника, не зависящие от управляквих воздействий, Таким абразом видно, что при достижении предельной глубины модуляции равной Р амплитуда выходящего излучения перестаетзависеть от интенсивности внешних воздействий и их флуктуаций, что сущест.венным образом снижает требованияк стабилизации уровня внешних воздействий, значительно упрощает конструкцию блоков питания и повышает метрологические характеристики источникаизлучения.Для реализации отрицательной лю,минесценции в полупроводниках необходимо добиться уменьщения концентра"ции носителей заряда относительно.,их равновесного значения и;(по),гпри этом плотность рекомбинациойногоизлучения из кристалла становитсяменьше своего равновесного значенияР, . При сильном истощении кристалла,когда ,( Л, излучение спадает доО, а глубина модуляции излучения,ЬР стремится к Ро . Здесь величина Роявляется только той частью равновесного излучения полупроводника, которая соответствует рекомбинационномуизлучению электронно-дырочных пар,а спектр излучения представляет со-,бой часть кривой спектрального распределенияПланка (графический закон,спектрального распределения излучения абсолютно черного тела), котораясоответствует энергии перехода зоназона и формируется стационарным ре"комбинационным излучением носителеРс концентрацией й Р Можно вычисЛлить. по ФормулеЛЕфз -Е 6 Оо,:.к 1 - ,в ф.о- у у,где К - коэффициент отражения, полупроводника; К - постоянная Больцмана Т - абсолютная температураЕ - ширина запрещенной зоны; сскорость света; П = И (2 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 ограниченного полупроводника с оиполярной проводимостью в скрещенные электри,.ческое (Е 1 и магнитное (В) поляпространственное распределение носителей тока в нем становится су-щественно неоднородным (возникает 5поперечный градиент электронно-дырочных пар) . Если один из поперечных полному току размеров кристалласравним по величине с биполярнойдиффузионной длиной 1 , топространственное распределение носителей во.весм объеме кристалла отличается от. равновесного. Перераспределениеносителей максимально в случае.,если скорости поверхностной рекомбинации на противоположных (нормальныхк градиенту концентрации носителейгранях)сильно различаются по величине.В алучаеу если полупроводник имеетмонополярную проводимость, данныйэффект не наблюдается, поскольку20возникающее поле Холла препятствуетзначительному перераспределению носителей заряда. В биполярном полупроводнике градиент концентрацииносителей не создает заметногополя Холла, поскольку перенос осуществляется парами частиц (электрони дырка) с равными компенсирующими друг друга электрическими зарядами,Устройство работает следующим образом.В отсутствие внешних полей (либоодного из них) из полупроводниковойпластины 1 через ее грань б в на.правлении 11 выходит равновесный35поток 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.1,40под действием силы Лоренца Г " ВВпроисходит вследствие дрейфа электронно-дырочных пар, перераспределениеносителей заряда по толщине пластины в-направлении. При этом концент 45рация носителей вблизи грани б значительно уменьшается (Фиг.2) и становится ниже равновесного значения Ипри дальнейшем увеличении и Н койцентрация свободных электронно-дыроч 50ных пар и соответственно интенсивностьрекомбинационного излучения выходящего через грань б уменьшается, в пределе приближаясь к нулю, а глубинамодуляции излучения стремится к Р(фиг.З) Р Из фиг 3 видно, что прицОСтижении некоторых знаЧений Б и Вполевая зависимость излучения выходитна уровень насыщения и в дальнейшемне зависит от. величины внешних воздействий и их Флуктуаций. Наобольше. б 0го перераспределения носителей заряда по толщине пластины и болееглубокого необходимого для нормальласти кристалла вблизи грани б приможно получить, если скорости поверхностной рекомбинации на гранях б и 7 сильно различаются (по крайней мере на порядок). и грань б 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 ьсо, вблизи грани 7.При этом сж много меньше диффузионной длины. При выполнении усновия 2 д- где Ю - коэффициент поглощения междузонного излучения, излучение, возвикающее .при рекомбинации свободных носителей в области сжатой диффузионной длины, не выходит через грань б, 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 Епб 5, п Р,С 3 НЕЕ и т.д,Для нормальной работы устройства магнитные поля должны быть классичес- ки слабыми (неквантующими и не замагни- чивающими), если магнитные поля будут квантующими, то происходит изменение ширины запрещенной зоны на 5 сд/2 и нарушается равновесное распределение носителей заряда по уровням энергии. В таких условиях Рв будет Функцией Н, что приводит к зависимости от внеш- нихуправляющих воздействий оцного из пределов изменения максимальной амплитуды отрицательной люминесценции. Если магнитные поля будут замагничивающие,т,е. удовлетворять условиюВ ц" Рф ъ.,то эффект замагничивания носителей будет затруднять дрейФ пар в-управлении и препятствовать достижению второго нулевого) предела ;отрицательной люминесценции. Таким образом, для стабильной работы источника излучения магнитные поля должны10236 7 б 30 7П р и м е р. Выполняется активныйэлемент излучателя из нелегированногоибЬи представляющий собрй прямо-, угольный параллелепипед с характерны ми рармерами 0,5 х 0,2 х 0,001 смф. При комнатной температуре концентрация 5 собственных носителей составляет 2 10 см , что обеспечивает собственную проводимость полупроводника, т.е. п 1 ъ М где Вд - концентрация неконтролируемой примеси, Одна из широких граней пластины, с которой наблюдалось излучение, травится в СР, а другая шлифуется абразивным порошком, с целью получения сильно различающихся скоростей по" 15 верхностной рекомбинации на этих гранях. Контакты припаиваются индием с флюсом Еп,С 6 к боковым граням кристалла. Это обеспечивает их омичность в широком ерша прикладываемых 20 электрических полей. Магнитное поле создается постоянным магнитом из кобальтового сплава, Электрическоеъполе прикладывается в виде прямоугольных импульсов с целью получения модулй" рованного потока излучения и уменьшения джоулевого разогрева кристал,ла. Сигнал люминесценции регистрируется фотосопротивлением6 (Дц .охлажденным до 77 К и поступает наосциллограф.Иа 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 Рр . При Т=290 К Р = 2 10Вт/смЕсли 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 повышаетметрологические характеристики предложенных излучателей, что дает возможность использовать предпоженный источник в качестве эталонного, Мощность излучения в области насыщения зависит оттемпературы, Это свойство позволяет устанавливать необходимую величину сигнала калибров ,. ки. Инерционность свечения предложенного источника излучения определяется объемным временем жизни носителей заряда и составляет для ЕпбЪ при койнатной температуре 10 с. Спектр излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника.Источник излучения имеет следую . щие технико-экономические преимущест ва. работает в области комнатных температур, 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 расчитывается по аналитической формуле данный источник излучения можно использовать в качестве эталонного при проведении научно-исследовательских работ,