Способ регистрации светового потока

Изобретение относится к методам приема и регистрации светового излучения и может быть использовано при создании датчиков для инфракрасной области спектра. Датчики используют в микро- и нанотехнологиях. Сущность изобретения: измеряемый световой поток фокусируют на области максимальной фоточувствительности автокатода, изготовленного из высокоомного полупроводника, при условии hν₁>ΔЕ, где h - постоянная Планка, ν₁ - частота регистрируемого света, ΔЕ - ширина запрещенной зоны используемого полупроводникового эмиттера, на который подают минус постоянного напряжения и измеряют величину автоэмиссионного тока, протекающего в анодной цепи, по которой судят об интенсивности регистрируемого светового потока, причем дополнительно весь автокатод освещают постоянным по интенсивности светом в области частот ν₂, удовлетворяющих условию hν₂>ΔЕ. Техническим результатом является увеличение чувствительности метода за счет дополнительного освещения автокатода. 3 ил.

 

Изобретение относится к методам приема и регистрации светового излучения и может быть использовано при создании датчиков для инфракрасной области спектра.

Известен способ регистрации светового потока, падающего на фотокатод, описанный в [1] И.В.Савельев ″Курс общей физики″, т.3, Наука, М., 1971, с.275, на который подают минус от выпрямителя и регистрируют ток вырванных из фотокатода под действием света электронов, ″внешний фотоэффект″. Фотоприемники, работающие по этому способу, называются фотоэлементами. Условием их работоспособности является выполнение неравенства hν>А, где hν - энергия падающего на катод светового кванта, А - работа выхода электрона из материала катода. К недостаткам способа относится трудность изготовления катода с низкой работой выхода и низкие значения квантового выхода k<1. k равен отношению числа вырванных световыми квантами из катода электронов к числу упавших на него квантов.

Известен способ регистрации светового потока, описанный в [2] И.В.Савельев ″Курс общей физики″, т.3, Наука, М., 1971, с.280, заключающийся в освещении полупроводника исследуемым светом и измерении тока, протекающего через полупроводник при постоянной величине поданного напряжения. Работа способа основана на так называемом ″внутреннем фотоэффекте″, когда под действием света в полупроводнике возрастает концентрация свободных зарядов, приводящая к уменьшению сопротивления полупроводника. Условием работоспособности метода является выполнение неравенства hν>ΔE_g, где h - постоянная Планка, ν - частота света, ΔE_g - ширина запрещенной зоны в собственном полупроводнике, величина энергетического зазора между зоной проводимости и примесными уровнями в полупроводнике n-типа или величина энергетического зазора между валентной зоной и примесными уровнями в полупроводнике p-типа.

К недостатку метода относится малая величина квантового выхода k<1.

Наиболее близким к заявляемому является способ регистрации светового потока, использованный в [3] Б.В.Стеценко, А.Ф.Яценко ″Фотокинетика автофотоэлектронной эмиссии из кремния p-типа″ Украинский Физический Журнал, т.17, №10, с.1637, 1972, заключающийся в том, что исследуемый световой поток фокусируют на кончике игольчатого автокатода, изготовленного из полупроводника, на который подается минус постоянного напряжения, и измеряют величину автоэмиссионного тока, протекающего в анодной цепи, по которой судят об интенсивности регистрируемого светового потока.

Работоспособность метода обусловлена тем, что при освещении кончика эмиттера, ″внутренний фотоэффект″, увеличивается концентрация фотоэлектронов в приповерхностной области его кончика, которые движутся в проникающем ускоряющем поле к его поверхности и туннелируют сквозь потенциальный барьер. Это происходит там, где значения напряженности электрического поля максимальны, минимален радиус кривизны поверхности и, следовательно, максимальна прозрачность барьера.

Условием работоспособности метода является выполнение неравенства hν>ΔE_g, где ΔE_g - ширина запрещенной зоны используемого полупроводника.

Величина автоэмиссионного тока, протекающего в анодной цепи, непосредственно связана с концентрацией фотоэлектронов и растет с ростом концентрации, что дает возможность судить по этой величине об интенсивности падающего на автокатод светового потока. Квантовый выход в фотоприемниках по способу [3] может значительно превышать значения, типичные для методов [1-2], то есть k>1.

Недостатком способа можно считать относительно низкую чувствительность, что сказывается при приеме слабых сигналов.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности метода из-за увеличения квантового выхода.

Поставленная задача по способу увеличения чувствительности метода достигается тем, что измеряемый световой поток фокусируют на области максимальной фоточувствительности автокатода, изготовленного из полупроводника, при условии

hν₁>ΔЕ,

где h - постоянная Планка, ν₁ - частота регистрируемого света, ΔE - ширина запрещенной зоны материала используемого полупроводникового автокатода, на который подают минус постоянного напряжения и измеряют величину автоэмиссионного тока, протекающего в анодной цепи, по которой судят об интенсивности регистрируемого светового потока, причем дополнительно весь автокатод освещают постоянным по интенсивности светом в области частот ν₂, удовлетворяющих условию hν₂>ΔE.

Заявляемое решение является новым, так как ранее нигде не описано.

На представленных фиг.1-3 показан принцип действия изобретения.

Для проверки работоспособности метода был собран макет действующей установки по заявляемому методу, представленный на фиг.1.

Свет от гелий-неонового лазера 1, ЛГН-109, с длиной волны λ=0,63 мкм через прорези в диске модулятора 2, вращающегося от двигателя 3, плоскопараллельное стекло 4 фокусируется линзой 5 на кончике иголчатого автокатода 6, изготовленного в качестве примера реализации заявляемого решения из высокоомного кристалла арсенида галлия, p=10⁶ Ом·см.

На автокатод подается минус от высоковольтного выпрямителя 7. Величина автоэмиссионного тока контролируется с помощью осциллографа 8, С1-70, входное сопротивление которого 10⁶ Ом подключается к анодному выходу вакуумного прибора 10. Часть света, отраженного от стекла 4, поступает на фотодиод 11, преобразующий его в электрический сигнал, который после усиления в блоке 12 подается на синхронизирующий вход осциллографа. Изображение на экране осциллографа с помощью цифровой камеры 13 переносится на дисплей компьютера 14. Для подсветки автокатода используется свет от вольфрамовой лампы накаливания 15, питаемой через ключ 16 от постоянного источника 17, батарея стандартных элементов.

На фиг.2 показано увеличенное изображение игольчатого автокатода 6. Свет 18 от лазера 1 фокусируется в области максимальной фоточувствительности на кончике игольчатого автокатода 6 при выполнении условия hν₁>ΔE. Для арсенида галлия ΔЕ=1,4 эВ. Постоянным по интенсивности светом 19 от вольфрамовой лампы накаливания осуществляется полное освещение всего автокатода 6.

На фиг.3 приведены две типичные последовательные осциллограммы для абсолютного значения автоэмиссионного тока. Зависимость тока от времени 20, изображенная пунктиром, получена при отключении ключа 16, то есть тогда, когда реализуется способ регистрации по прототипу настоящего изобретения [3]. Зависимость 21, изображенная сплошной линией, получена при включенном ключе 16, то есть тогда, когда в соответствии с формулой изобретения весь автокатод дополнительно освещают постоянным по интенсивности светом в видимой области спектра, когда для использованного в качестве примера реализации заявляемого решения арсенида галлия выполняется условие hν₂>ΔE.

Где h - постоянная Планка, h=6,62·10^-34Дж·c, ν - частота, ΔЕ - ширина запрещенной зоны используемого полупроводникового эмиттера.

Из сравнения кривых 20 и 21, фиг.3, видно, что чувствительность заявляемого решения в 1,57 раза больше, чем в способе по прототипу. Кривая 21 идет значительно выше кривой 20, что доказывает его работоспособность.

Дополнительно, из данных фиг.3, следует, что время установления переднего и заднего фронтов импульса фототока, то есть время релаксации, в заявляемом способе меньше, чем в способе по прототипу, что также является полезным эффектом, так как увеличивает быстродействие заявляемого решения. Работоспособность способа объясняется тем, что при освещении острия постоянным по интенсивности светом в указанном диапазоне частот, то есть ″внутренний фотоэффект″, уменьшается сопротивление эмиттера, а следовательно, и обусловленное протеканием автоэмиссионного тока падение напряжения на эмиттере, что приводит к росту напряженности электрического поля у его кончика и соответствующему увеличению прозрачности потенциального барьера у его поверхности. Последнее увеличивает величину добавки фототока, обусловленную действием регистрируемого светового потока, то есть увеличивать чувствительность метода из-за увеличения квантового выхода, как показано в [4] S.N.Goncharov, V.D.Kalganov, N.V.Mileshkina, A.I.Priloutsky and P.G.Shlyhtenko, editor - in - chief: Yu.A.Ossipyan, Cchernogolovka, Russia; region editors: A.Kahn. Princeton, USA; U.Valbusa, Genova, Italy; ″Optical and Emission Properties of Photosensitive Field Electron Current from GaAs and Ge Single Crystals″, Phys. Low-Dim. Struct., 9/10, 2001 р.143-154. Чувствительность - это отношение фотоотклика к интенсивности света.

Существенное отличие достигается тем, что весь автокатод дополнительно освещают постоянным по интенсивности светом, что обеспечивает достижимый результат.

Способ регистрации светового потока, заключающийся в том, что измеряемый световой поток фокусируют на области максимальной чувствительности автокатода, изготовленного из полупроводника, при условии

hν₁>ΔЕ,

где h - постоянная Планка, ν₁ - частота, ΔЕ - ширина запрещенной зоны материала используемого полупроводникового автокатода, на который подают минус постоянного напряжения, и измеряют величину автоэмиссионного тока, протекающего в анодной цепи, по которой судят об интенсивности регистрируемого светового потока, отличающийся тем, что дополнительно весь автокатод освещают постоянным по интенсивности светом в области частот ν₂, удовлетворяющих условию

hν₂>ΔЕ.