Источник электромагнитного излучения

Авторы патента:

H01L33H05B33/12 -

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ по авт. св. № 1023676, отличающийся тем, что, с целью повьппения термостабильности мощности интегрального излучения в рабочем диапазоне температур, он содержит оптический фильтр коротковолнового излучения, а его активный элемент выполнен из полупроводника с положительным температурным коэффициентом ширины запрещенной зоны.

(Ю 01) СОЮЗ СОВЕТСНИХ и Л Ю

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1023676 (21) 3500040/18-25 (22) 15.10 ° 82 (46) 07.10,84. Бюл. Ф 37 (72) С.С.Болгов, В.К.Иалютенко и Е.И.Яблоновский (71) Институт полупроводников.

АН Украинской ССР (53) 62 1.382(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 1023676, кл. Н О1 L 33/00, Н 05 В 33/12, 27.04.82.

3 51) Н 01 L 33/00; Н 05 В 33/12 (54)(57) ИСТОЧНИК ЗЛЕКТРОИАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ по авт. св . Ф 1023676, отличающийся тем, что, с целью повышения термостабильности мощности интегрального излучения в рабочем диапазоне температур, он содержит оптический фильтр коротковолнового излучения, а его активный элемент выполнен из полупроводника с положительным температурным коэрфициентом ширины запрещенной зоны.

6<6 вЂ”

11177

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве термостабильного исгочника излучения. 5

По основному авт. св. 9 1023676 известен источник электромагнитного излучения, содержащий прямоугольную полупроводниковую пластину, выполнен- 1р ную из собственного полупроводника с толщиной, сравнимой с диффузионной длиной, но большей обратной величины коэффициента междузонного поглощения, причем скорости поверхностной рекомбинации на противоположных гранях основания отличаются не менее чем

f на порядок, кроме того, пластина содержит электрические контакты на двух противоположных бокову гранях и помещена в магнитное поле, направс.э где И вЂ” спектральная плотность излуЯ чения;

И вЂ” частота излучения;

К,г вЂ” ширина запрещенной зоны полупроводника; вЂ” излучающая способность кристалла;

Т вЂ” абсолютная температура; к вЂ” постоянная Больцмана.

Известный источник излучения обладает высокой стабильностью излучения по управляющим воздействиям, поскольку интенсивность излучения. ограничена

Двумя жесткими пределами 0 и Ро (1j, Недостатком известного устройства 4О является сильная зависимость выходящего излучения от температуры, поскольку равновесное тепловое излучение всех полупроводников резко возрастает с увеличением температуры. 5

Целью изобретения является повышение термостабильности интегрального излучения в рабочем диапазоне температур.

Поставленная цель достигается тем,5О что в источнике электромагнитного излучения активный элемент выполняют из полупроводника, имеющего положительный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны, при этом 55 дополнительно вводят оптический фильтр, обрезающий коротковолновую часть излучения.

36 ленное перпендикулярно плоскостям другой пары боковых граней.

При включении электрического (Е) и магнитного (В) полей происходит сильное истощение приповерхностной области полупроводника (пр(<п .) и

1 наблюдается модуляция:выходящего рекомбинационного излучения Р от раво новесного значения до куля, т.е. наблюдается отрицательная люмииесценция (фР Р -Р©сО), При выключении нолей (либо одного иэ них) интенсивность излучения вновь возрастает от нуля до Ро . Амплитуда отрицательной люминесценции (максимальная глубина модуляции излучения) равна интегральной мощности равновесного теплового излучения полупроводника . в спектральной областис0 1 Е /h.

Максимальную мощность излучения такого источника можно определить по формуле

Термостабильность выходящего интегрального потока излучения обеспечивается тем, что увеличение спектральной плотности излучения с температурой компенсируется уменьшением ширины спектрального диапазона излучения.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг.2спектральное распределение излучения при.температурах 300, 290 и 280 К; на фиг. 3 вЂ” график температурных зависимостей мощности интегрального излучения источника при различных материалах; на фиг ° 4вЂ” график полученных температурных зависимостей мощности интегрального излучения при фильтрах с различными 3 е

Устройство (фиг. 1) содержит полупроводниковую пластину 1, выполненную из биполярного полупроводника толщиной порядка диффузионной длины, но большей обратной величины коэффициента поглощения междузонного излучения полупроводника с положительным температурным коэффициентоМ ширины запрещенной зоны, омические контакты 2, которые электрически соединены с узкими гранями 3 и 4, источник электрического поля 10 соединен положительным полюсом через контакту 2, расположенный на грани 3, магнит 5 расположен так, что его си7736 4 тельным (InSb) температурным коэффи. циентом ширины запрещенной зоны зависимость P0(Т) монотонно и довольно резко возрастает с температурой. Для

InSb погрешность на 1К - вЂ -Q7/ãðàä ьР6

P T

Р в области 290 К, а для CdHgTe

Р аТ

=1,3Х/град. Однако для целого ряда задач измерительной техники такая погрешность, является недопустимой.

Существенно изменить вид зависимости Ро(Т) и повысить термостабиль- . ность интегрального излучения источника можно следующим образом.

Более медленный рост Р, (Т) с повышением температуры для полупроводников с положительным температурным коэффициентом ширины запрещенной

dEf зоны (el= вЂ” ) обусловлен сужением

dT спектрального диапазона излучения вследствие увеличения ширины запрео щенной зоны (F =E +JT), что выража- ется в сдвиге в коротковолновую

i:áëàñòü края собственного излучения

Е (d =-g (фиг. 2). Однако сужение спектра излучения в этом случае лишь частично компенсирует рост мощности .интегрального излучения, который наблюдается за счет возрастания спектральной плотности излучения на всех частотах от Оо до Еф/б (плотность рЪс намного больше г1 п фиг. 2) . ловые линии,ортогональны другой паре узких граней 6 и 7, причем северный полюс расположен со стороны грани 6.

БЬрокие грани 8 и 9 обработаны так, что отношение скоростей поверхностной рекомбинации S на них порядка 10 (S> /S<»u> . Кроме того, устройство содержит оптический фильтр 11.

В отсутствие внешних полей (либо одного из них) из полупроводника 1 10 через его грань 8 выходит равновесный поток излучения Р . При включении электрического (Е) и магнитного (В) полей в направлении, показанном на фиг. 1, под действием силы is

Лоренца происходит перераспределение носителей заряда по толщине пластины.

При этом концентрация носителей вблизи грани 8 значительно уменьшается и становится ниже равновесного 70 значения n; . При достаточно сильных полях происходит сильное истощение приповерхностной области кристалла (пр,с< и . ) и междуэонное из4 лучение, связанное с рекомбинацией свободных электронов и дырок, практически прекращается, а полевая зависимость мощности излучения выходит в насыщение. Таким образом интенсивность излучения источника при доста30 точно сильных Е и В полях изменяется от Родо нуля °

Величина Р является той частью полной энергии теплового равновесного излучения полупроводника, которая соответствует излучению при рекомбинации электронов и дырок. Длинноволновый резкий край излучения источника (фиг. 2) соответствует краю собственного излучения (поглощения) полупроводника и определяется соотно40

Я(Т) шением Ы; = вЂ” вЂ вЂ . Интегральная мощность излучения (поглощения) полупроводника Р определяется интегрировано-4> ем формулы распределения Планка в преЕ делах - с м с оо и рассчитывается в конечном итоге по формуле (1).

Еф делах 1, &(.коэи рассчитывается в коИ нечном итоге по формуле (I).

Температурная зависимость мощности интегрального излучения, выходящего через грань 8, полупроводниковой .пластины показана на фиг. 3 55 для InSb и для CdHgTy. Хорошо видно, что для полупроводников как с положительным (CdHgTe), так и с отрицаДля того, чтобы вклад сужения спектрального диапазона (С1 в) в интегральную мощность излучения (ОЪъ) был сравним с вкладом температурного роста спектральной плотности излучения, спектральный диапазон излучения должен быть достаточно узким, что и достигается установкой перед активным элементом соответствующего фильтра, обрезающего коротковолновую часть излучения. Фильтр выбирается таким образом, чтобы в области рабочей температуры источника изменение спектральной плотности излучения компенсировалось изменением ширины спектрального диапазона излучения. т.е. abcdhcfkm (фиг. 2).

В полупроводниках с отрицательнымв Я р сдвигается в сторону меньших

1117736

Qq>

Р -.J а ды с1"(e (6 6и зх" х )-е (6 6х езх <+Pj (2)

Е ф

l0 частот и расширение спектра излучения наоборот способствует еще более резкому росту р (Т). кМ Ея" 1 6>у гдеc -" вЂ” вЂ” - х=; х = вЂ” -

492с h kT Ф kT

2вс о (д = вЂ” вЂ” Е Е- + Т р а, ф ц, я, - частота и длина волны, соответствующие границе фильтрации .

Зависимость Р (Т) представляет собой плавную кривую (фиг. 3, CdHgTe) с максимумом в рабочей температурной

4Ро точке и = вЂ” =0,05Ж/град.

Р;дТ

Такая температурная погрешность является удовлетворительной для многих метрологических задач.

Используя один и тот же активный элемент, но применяя разные фильтры, можно произвольно выбирать область рабочих температур (фиг. 4).

Тепловое раэмытие края собственного поглощения и слабая температур- 30 ная зависимость пропускной способности фильтра не нарушают описанный принцип термостабилиэацни.

Приведенные рассуждения справедли З5 вы только для случая, когда полевая зависимость P (Е,В) выходит в насыщение, т.е. температурная стабилизация может достигаться одновременно с полевой. Только при максимальном значении отрицательной люминесценции Р=Р спектр излучения источника описывается распределением

Планка и не зависит от рекомбинационных и кинетических параметров полу 1З проводника. В слабых Е и В полях инИнтегральная мощность излучения источника после фильтрации расчитывается по формуле тенсивность излучения находится в области ОсРсРе и P=f(S, 7,ш„,p) (S вЂ” скорость поверхностной рекомби« нации; в вЂ” время жизни;.- Чя вЂ” подвиж

1 ность электронов и дырок), которые в свою очередь сильно и неодинаково зависят от температуры, что в конечном итоге приводит к температурной дестабилизации.

П р и и е р 1. Активный элемент выполнен из полупроводника Сд Ня Те, который имеет положительный температурный коэффициент ширины запрещенной зоны g ""--3,5 10 эВ/град.

Для фильтра с 1i =9 мкм рабочая температура соответствует Т 290 К (фиг, 4, кривая Н) . Этой температуре соответствует максимум кривой

P<(T). В диапазоне рабочих температур (290+5) К нестабильность интегрального излучения источнике

-0,05K.

Рв вТ

Пример 2. Активный элемент тот же, что и в примере 1. Фильтр имеет hg =9 5 мкм, Т„с, =275 К (криФРв вая 1), -ш-Т0,053/град.

П р и и е р 3. Активный элемент тот же, что и в примере 1. Фильтр имеет Ъ р 8 6 мкм, Т <=305 К (крираб вая ill), Рж Т"-0,05X/ãðàä.

6Рв Р,вТ

Предлаг;1 емый источник электромаг-, нитного излучения, сохраняя техникоэкономические йреимущества известного, не содержит дорогостоящие термостатирующие устройства.

1117736

1 3 17736

0;5

0, O

ОМ

1117736

Р, аем.И

Составитель В.Юдина

Редактор И.Николайчук Техред М.Тенер Корректор Е.Сирохман

Заказ 7266/38 Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5