Фотопреобразователь

Использование: для преобразования оптического сигнала в электрический, а также энергии электромагнитного излучения указанного диапазона в электрическую энергию. Сущность изобретения заключается в том, что фотопреобразователь представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты так, что граница между контактом и нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда. Технический результат: обеспечение возможности упрощения изготовления в виде массива наногетероструктурных элементов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к фотоприемникам и/или фотопреобразователям для далёкой инфракрасной и субмиллиметровой областей спектра электромагнитного излучения (область длин волн 25–100 мкм), и может быть использовано для преобразования оптического сигнала в электрический, а также энергии электромагнитного излучения указанного диапазона в электрическую энергию.

Известны фотоприемники, основанные на собственном поглощении в узкозонном полупроводниковом твердом растворе свинец-олово-теллур, легированном индием (PbSnTe:In). Изменяя состав, можно получать предельно малую ширину запрещенной зоны, обеспечивая эффективное детектирование излучения далёкого ИК-диапазона на основе межзонных оптических переходов (патент РФ 2278446, опубликован 20.06.2006).

Известно также устройство (патент РФ №2517802, опубликован 27.05.2014), которое снабжено прозрачными контактами и контактами основы, между которыми расположен массив наногетероструктурных элементов, образованных донорными полупроводниковыми слоями, между которыми расположен поглощающий полупроводниковый слой. Массив наногетероструктурных элементов образован в порах матрицы оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 150 нм. Донорные полупроводниковые слои и поглощающий полупроводниковый слой образуют структуру узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник. Донорные полупроводниковые слои выполнены из Ge, поглощающий полупроводниковый слой выполнен из ZnSe(1-x) Sx. В качестве контактов основы используется никель, или серебро, или оксид индия-олова, в качестве прозрачных контактов используется пленка оксидов индия-олова. В качестве основы используют подложку из Si. Поскольку параметры оптического поглощения зависят от ширины запрещенной зоны, то слой с одной шириной запрещенной зоны может пропускать излучение с какой-либо длиной волны, при этом оно может быть поглощено на слое с шириной запрещенной зоны, соответствующей данной длине волны падающего излучения. Ширина запрещенной зоны для соединений типа ZnSxSe(1-x) зависит от x.

Недостатком устройств является то, что гетеропереходы образуются в нанопорах матрицы.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является упрощение изготовления фотопреобразователя в виде массива наногетероструктурных элементов.

Технический результат достигается в устройстве, которое представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты так, что граница между контактом и нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

Потенциальный барьер для основных носителей заряда в нанопроводах возникает из-за того, что их поперечные размеры меньше длины размерного квантования при температуре функционирования устройства.

Разность

Δ = E1 – EF

энергии первого разрешенного уровня носителей заряда в нанопроводе E1 и энергии Ферми носителей заряда в контакте EF определяет минимальную частоту (νmin) и максимальную длину волны (λmax) поглощаемого электромагнитного излучения

νmin = Δ/h, λmax = c/νmin,

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме. При фиксированной температуре T и поперечных размерах нанопровода L, меньших, чем длина размерного квантования материала

Ldq(T) = (3h28m*kT)1/2,

из которого он сформирован, величины Δ и νmin тем больше, чем меньше L. Здесь m* - эффективная масса носителей заряда в материале нанопровода, k – постоянная Больцмана.

Предпочтительно для изготовления нанопроводов использовать антимонид индия (InSb). Кроме того, могут быть использованы другие полупроводниковые, металлические и полуметаллические материалы, а также углеродные нанотрубки.

Предпочтительно формирование идентичных нанопроводов.

Предпочтительно в качестве диэлектрической матрицы использовать диэлектрик с регулярным расположением нанопор.

Предпочтительно в качестве диэлектрической матрицы использовать нанопористый анодный оксид алюминия.

Предпочтительно выполнение эмиттерного и коллекторного контакта из меди, золота или алюминия.

На фиг.1 показана матрица нанопроводов с контактами. 1 – коллекторный контакт, 2 – эмиттерный контакт, 3 – нанопровод.

На фиг.2 показано распределение поля в нанопроводе с контактами.

Электрическое поле в структуре распределено таким образом, что образующиеся при поглощении электромагнитного излучения избыточные электроны с энергиями, большими или равными E1, будут выталкиваться полем из нанопровода в контакты. В результате, возникает индуцированная внешним электромагнитным излучением разность потенциалов между контактами

Vind = Wh/(2рkTphe)

где W – мощность внешнего электромагнитного излучения; Tph – температура поглощаемых фотонов, в предположении, что они распределены в соответствии с формулой Бозе-Эйнштейна; e – заряд электрона. Это позволяет использовать матрицу нанопроводов в качестве фотоприемника.

Вольт-ваттная чувствительность фотоприемника дается формулой

Sv = h/(2рkTphe).

Матрицы нанопроводов из антимонида имеют удельные сопротивления r порядка 50°мОм*см2. То есть при Tph = 300°K удельная ампер-ваттная чувствительность

SJ = Sv/r

будет порядка 105°А/(Вт*см2).

Вольтамперная характеристика прибора в условиях воздействия внешнего электромагнитного излучения смещается в область, в которой произведение тока на напряжение отрицательно. Это свидетельствует о возможности выделения энергии на внешней нагрузке и использовании матрицы нанопроводов в качестве фотопреобразователя. При измеряемых экспериментально плотностях тока в матрицах нанопроводов из антимонида индия порядка 100 А/см2 имеется возможность получения до 10°Вт/см2 электрической энергии при соответствующей мощности внешнего излучения.

Таким образом, поскольку в порах не требуется создание гетеропереходов, а они формируются при нанесении контактов, достигается технический результат изобретения.

1. Фотопреобразователь представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты, при этом граница между каждым из контактов и каждым нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены идентичными.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены из антимонида индия (InSb).

4. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены полупроводниковыми и/или металлическими и/или полуметаллическими.

5. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены в форме углеродных нанотрубок.

6. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической матрицы использован диэлектрик с регулярным расположением нанопор.

7. Фотопреобразователь по п.6, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика с регулярным расположением нанопор использован нанопористый анодный оксид алюминия.

8. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттерный и коллекторный контакты выполнены из меди, золота или алюминия.



 

Похожие патенты:

Использование: для поляризованных светодиодов и спин-транзисторов. Сущность изобретения заключается в том, что спин-детектор содержит подложку, на которой последовательно выполнены: барьерный слой, первый слой из GaAs или из AlxGa1-xAs, второй слой с квантовыми ямами из InxGa1-xAs или из GaAs, третий слой из GaAs или из AlxGa1-xAs, третий слой с квантовыми ямами из InxGa1-xAs или из GaAs, четвертый слой из GaAs или из AlxGa1-xAs, первый слой с квантовыми ямами из InxGa1-xAs или из GaAs, второй слой из GaAs, ферромагнитный слой и защитный слой.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа детектирования электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне. Способ включает в себя направление потока терагерцового излучения на преобразователь с формированием в последнем сигнала, регистрируемого детектором.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения включает соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, чувствительные слои располагают по разные стороны подложки, толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника, в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона.

Изобретение относится к гелиотехнике, может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию и касается солнечного модуля, включающего концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, с контактами подключения батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель, а также комбинированной солнечно-энергетической установки, включающей указанные выше солнечные модули.

Изобретение относится к фотоэлектрическому элементу (фотоэлементу), включающему в себя по меньшей мере первый переход между парой полупроводниковых областей, при этом по меньшей мере одна из этой пары полупроводниковых областей включает в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, содержащей первый материал с распределенными в нем образованиями второго материала, причем образования имеют достаточно малые размеры, так что эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки по меньшей мере частично определяется этими размерами, при этом между полупроводниковыми областями предусмотрен поглощающий слой, и при этом поглощающий слой содержит материал, предназначенный для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, и имеет такую толщину, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом.

Изобретение относится к области производства твердотельных фоточувствительных полупроводниковых приборов, а именно к области производства преобразователей мощности света в электрический ток, и может быть использовано при изготовлении указанных приборов.

Изобретение относится к функциональной микроэлектронике, микрофотоэлектронике, вычислительной технике. .

Использование: для преобразования оптического сигнала в электрический, а также энергии электромагнитного излучения указанного диапазона в электрическую энергию. Сущность изобретения заключается в том, что фотопреобразователь представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты так, что граница между контактом и нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда. Технический результат: обеспечение возможности упрощения изготовления в виде массива наногетероструктурных элементов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх