Способ возбуждения внешней фотоэмиссии

 

СОЮЗ СООЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУбЛИК

А1

„„80„„154N00 (51) 5 Н 01 .Т 40/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЧМ

ПРИ ГННТ СССР (46) 07.05.93. Бюл. !" 17 (21) 4362957/21

I{2?) 1? .01. 88 (/2) Я.А. Оксман, И. Я. Мармур и А.М. Тютиков (56) Сб. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов./Под ред.P.Äæ.Êèåñà. М.:

Радио и связь, !985, с. 153-171.

Зарубежная электронная техника, 1984, Р 8,. ЦНИИ "Электроника", с. 54-56. (54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВНЕШНЕ!1 ФОТОЭМИССИИ (57). Изобретение служит для расширения спектрального диапазона фотоэмнссии эмиттера с прямым внешним электИзобретение относится к области эмиссионной электроники и оптоэлектроники, а более конкретно к способам возбуждения внешней фотоэмиссии -в эмиттерах с отрицательным электронным сродством (ОЭС), и может бытЬ использовано в фотоэмиссионных приборах, предназначенных для инфракрасной (ИК) области с А 2 мкм.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фотоэмиссии с высоким временным разрешением.

По описываемому способу ИК-излучение с энергией кванта И(Е (Š— ширина запрещенной эоны полуйронодника) направляется на и-слой сильно легированного р-п-перехода, р-область которого обладает ОЭС. В и-слое указанное излучение поглощается свободными тектронамн. Если лрн этом энергия

2 рическим смещением. Г(ля этого р-и-переход полупроводниковой структуры эмиттера охлаждают до температуры, не превышающей 1т1/15К, а величнпу прямого смещения устанавливают в пределах ((.P -0,514) /е> 1.1,„,((ц„-0,5!т)) / ., при этом воздействие инфракрасного излучения осуществляют на и-область струк туры с энергией квантов 1т1(Е, где

К вЂ” постоянная Больцмана, Лж, к; И энергия квантов ИК-излучения, эВ;

11« — величина прямого смещения, В;

E — ширина запрещенной эоны и-об» ласти структуры, эВ; (g — контактная разность потенциалов, эВ; е — заряд электрона, Кл. электронов становится достаточной для преодоления потенциального барьера р-п-перехода, высота которого регулируется прямым смещением, то онн перебрасываются через укаэанный барьер в р-область. Далее происходят термализация фотовозбужденных элек« тронов в р-области с ОЭС и эмиссия нх в вакуум. Для эффективной эмиссии необходимо, чтобы толщина р-области не превосходила диффузионную длину электронов (2-5 мкм н арсениде галлия). Сильное легирование р-области (p 10 -10 см ) необходимо для по<В 19 - Ъ лучения ОЭС ° Сильное легиронапие п-области (п 10 -10 см ) необходн1н п -з мо дпя эффективного поглощепия ИК-нэлучепия на свободных носителях и их инжекции. В целом процессы, происходящие В предлОжеином спОсобе, схОдны с теми,:<огорые имеют место н инжек15lE9lE00

Ц»ОННОМ ХОЛОДЦОМ КатаДЕ HQ P П ПЕРЕ коде, который также представляет собой сильнолегиронанннй р-и-переход с тонкой (не более диффузионной дли5 ны) р-областью, обладающей ОЭС. Однако в холодном катоде инжекц»я неосновных носителей в р-Область с ОЭС происходит толька под действием электрического поня, В данном способе фа- 10 товозбуждение, фотаинжекция и соответственно внешняя фотоэмиссия происходят под действием излучения с длинами волн, лежащими в ИК-области спектра. Сечение поглощения на снободных электронах пропорционально квадрату длины волны; таким образам, с увеличением длины волны при соответствующем увеличении смещения не должно происходить уменьшения:,квантового выхода фатоэмиссии. При облучении и-слоя в фатоинжекции могут принимать участие как фотоносители. с энергией, близкой к энергии кван- та (быстрый. квантовый процесс фотопереброса), так и носители, температура которых близка к температуре разогретой решетки. г1пя. обеспечения высокого временного разрешения фото-, эмиссии необходимо исключить участие последних в инжекции.,Охлаждение способствует подавлению инерционного сигнала, обусловленного разогревом решетки. Темновай так инжекции определяет контраст — отношение эмиссии при фотостимуляции к темновой, Без

1 охлаждения при большом темновом токе (малой высоте барьера) малый контраст снижает пороговую чувствительность способа. Условие для предельной верх- 4 ней рабочей температуре. имеет вид

15 kT

ЬГ 50 быть записано в виде Т> „(6EI ?ОК энергия иоц»нации пр»меси н полупроводнике: К -- lforTQEEHEKE3EE Больцмана) и вытекает »з того, что в данном спо55 сабе акт»внае поглощение про»сход»т на свободных электронах, которые могут быть в и-слое л»шь нри »онизацни пр»меси, Фотовазбужденные в и-области электроны теряют приобретенную от света энергию за счет столкновений с холодными электронами, испускания оптических » акустических фононон. При этом происходит разогрев решетки полупроводника и основной массы носителей за" ряда. В результате возникают две группы электранон. Первая имеет энергию, превышающую температуру решетки, а вторая группа — близкую к ней. Время релаксации по энергии первой группы

-1л электронов меньше 10 " с, в то время как поведение электронов второй группы определяется медленным процессом нагрева и астывания кристаллической решетки. Фотоэмиссия с высоким временным разрешением имеет место в том случае, если в фотоинжекции принимает участие лишь первая группа электронов, что.а»ределяется высотой потенциального барьера р-и-перехода и. температурой. Эта и обуславливает выбор граничных условий. Высота барьера не, должна превосходить энергию кванта излучения, чтобы была возможна фотоинжекция, а следовательно, и фотоэмиссия н вакуум, Этому служит граничное

Ц к услание Б ъ - — r.pe EEE — контактсм- е ная разность потенциалов; е. — заряд электрона, Чем больше длина нолны ИКизлучения, тем меньше должна быть высота потенциальнога барьера, Таким образом, спектралылый диапазон фотоэмиссии определяется высотой потенциального барьера, т.е, прямым смещением, приложенным к р-п-переходу.

В то же время высота потенциального барьера должна быть .такой, чтобы исключить участие в фотоинжекции электронов, температура которых близка к температуре кристаллической решетки, иначе фотоэмиссия будет обладать большой ийерционностью. Этому слуcP«-n, Sh) жит условие 11с,, < ", которым е рабочие смещения ограничиваются фаулеровскай областью — интервалом энергий, 1лсключающих эмиссию тепловых электронов {вторая группа) из п-слоя.

При использован»и заявляемого спо соба мажет быть достигнуто высокое пространственное разрешение иэображения благодаря тому, что на приемной площадке це вази»кает,тепловой рельеф, расплывание которого снижает указанное разрешен»». Заявляемый спо5 соб возбуждения внешней фотоэмиссии с вл»соким временным и пространственным разрешением в ИК-области основан на возбуждении малоинерционногс» фото-. инжекционного тока. Экспериментальные данные, подтверждающие существен1 ность приведенных значений для граничных условий для решения поставленной задачи, были получены на основании исследования фотоинжекционного, тока в различных р-п-переходах.

Пример 1. Объекты измерения — германиевые и арсенид-галлиевые р-и-переходы. Длина волны ИК-излуче»»ия 10,6 мкм (Я=0,117 эВ). Температура охлаждения 77 К. Прямое смещение » 0,56 В для rерманиевых (lf„ 0 677 B при,Т=77 К) z» -1,38 В для. ар с енид-галлиевых р-и-п ерех< >дон, что ц -h3 соответствует условию U Из" е мерялось напряжение, создаваемое фотоинжекционным током на сопротивлении нагрузки в цепи р-п-перехода, При

I указанных условиях наблюдалось возникновение фотоответа. его величина была постоянной на частотах 1-10 кГц, 4 что свипетельствует, о малой инерционности в указанном частотном диапаэоне. Пр»» меньших смещениях фотоответотсутствовал.

Пример 1 иллюстрирует нижнее граничное значение интервала прямых смещений при наиболее удобной для работы. температуре жидкого азота, Пример 2. Объекты измерений, длина волны возбуждающего излучения, температура охлаждения те же, что в примере 1, Прямое смещение 0,62 В для германиевых и 1,45 В для арсенид-галлиевых р-п-переходов, что со((„-0,51А ответствует условию о е

Фотоответ падает с ростом частоты до

1О »сГц оставаясь в дальнейшем пот

4 стоянным до 10 кГц. Величина сигнала на частоте 1 кГц составляла примерно

120 по отношению к сигналу на частоте 10 кГц..Таким образом,.в соста4 ве фотоинжекционного тока начинает проявляться инерционный (тепловол) компонент, который ведет к ухудше- нию временного разрешения фотоэмиссии.

Пример 2 иллюстрирует верхнее граничное значение. интервала прямых смещений при температуре жидкого азота.

При дальнейшем увеличении прямого смещения инерционный компонент в сос49400 4 таве фотоинжекционного тока начинает . преобладать,, Так, пр»» смещен»»и

0,66 В для германиевых г.-п-переходов фотоответ иа частоте t кГц уже примерно на порядок превосходит сигнал на частоте 10 кГц

Пример 3 Температура охлаждения 90 К, что соответствует усло10 вию 15 kT".Ì при М-0,117 эВ (3=

=10,6 мкм). Прямое смещение - 0,54 В (германиевые р-и-переходы), что соот еетствует условию tl - ((p„

Чк гм!

0,66 В при Т=90 К), В этих условиях возникал фотоответ. Величина сигнала на частоте 1 кГц состаляла примерно

1 10 по отношению к сигналу на часто" те 10 кГц, что свидетельствует о на4

20 чгльном проявлении инерционного {теплового) компонента в составе фотоинжекционного тока, который ведет к ухудшению временного разрешения фотозмиссии

Пример 3 иллюстрирует граничное значение температуры охлаждения и нижнее граничное значение прямого смещения для указанной температуры.

При ловы»»ени»» температуры инерцион30 ный компонент в составе фотоинжекционного тока начинает преобладать.

Пример 4.Температура охлаждения - 90 К. Прямое смещение 0,6 В (германие»»ие р-п-переходы), что со35 zÅ -0,51»4 ответствует условию П срФотоответ падает с Ростом частоты до 15 кГц, оставаясь в дальнейшем неизменным .до 10 кГц. Величина сиг4 нала на частоте 1 кГц составляла при" мерно 130 по отношению к сигналу на частоте 10 кГц, что свидетельствует

4 о начальном проявлении инерционного

45 (теплового) компонента в составе фотоинжекционного тока.

Пример 4 иллюстрирует граничное значение температуры охлаждения.и

5у» веРхнее граничное значение прямого смещения для указанной температуры.

При повышении температуры и увеличении прямого смещения относительно указанных граничных значений инерционннй (тепловой) компонент в составе фотоинжекционного тока, который ве. дет к ухудшению временного. Разрешения фотоэмиссии, начинает преобладать.

1549400

Формула и э о б р е т е н и я где К—

МПсм

F)—

Составитель В. Белоконь

Редактор Т, Ирчикова Техред A.Êðàâ÷óK Корректор А. Обручар

Заказ 1973

Тираж

Подписное

ВНИИПи !осударствениого комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

113035, Москва, 5-35, Рауш< кая иаб., ц. 4/S

Произаодствеико-издательский комбинат Патент, г.ужгород, ул. Гагарина,!О1

Способ возбуждения внешней фотоэмиссии, включающий воздействие инфракрасного излучения на эмиттер с прямым внешним электрическим смеще" нием, выполненный в виде многослойной полупроводниковой структуры, у которой поверхность эмиттирующего 10 р-слоя активирована до состояния от-, рицательного электронного сродства, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона фотоэмиссии с высоким временным разрешением, р-и-переход полупроводниковой структуры охлаждают до .температуры, йе превышающей h)/15Ê, а величину прямого смещения устанав к -0,5И иивявт в npallerlax >И > е

)i1, Я при этом воздействие инфрае красного излучения осуществляют на и-область структуры с энергией квантов

hf(F. постоянная Больцмана, Лж/К, энергия квантов ИК-излучения, эВ; величина прямого смещения, В; ширина запрещенной зоны и-области структуры, эВ; контактная разность потенциалов, эВ; заряд электрона, Ел.