Способ измерения мощности электромагнитного излучения и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р>987713

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 25. 12. 80 (21) 3227027/18-25

Р1 М gw з

H 0l L 3l/0Â. с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет ($3) УДК 621.382 (088.. 8}

Опубликовано07.01. 83.Бюллетень М 1

Дата опубликования описания 070183 г . И.H,Êoòåëüíèêîâ, Н.A.Ìîðäîâåö: и A.ß.Шульман .? s . (72) Авторы изобретения./

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР .

/ (71) Заявитель (54} СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к иэмеритель ной технике, а именно к полупроводниковым фотоприемникам, предназначенным для измерения мощности и временных характеристик лазерного излучения ИК- диапазона.

Известен способ измерения мощнос- ти электромагнитного излучения, основанный на поглощении измеряемого излучения полупроводником с рождени.ем при этом пары электрон-дырка с последующим их разделением в поле р-и перехода йли в области барьера

Шоттки, образованного в месте контакта металл-полупроводник. Фотоприемники, осуществляющие этот способ, отличаются малыми габаритами, низкими питающими напряжениями, широким спектральным диапазоном (1). Недостаток этих фотоприемников большая постоянная времени.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения мощности электромагнитного излучения, при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изготовленный из этого полупроводника детектор, измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от.деления фотоотклика на фоточувствительность детектора.

В этом способе облучают. электромагнитным излучением полупроводнико вую пластину и измеряют фото-ЭДС, которая возникает в результате поглощения электромагнитного излучения свободными носителями полупроводниковой пластины с передачей. им импуль- са электромагнитной волны.

Известен полупроводниковый фотоприемник,.реализующий указанный способ, выполненный в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала (2}.

Известный способ и полупроводниковый фотоприемник для его осуществления из-за малой величины поглощения обеспечивает недостаточно высокую чувствительность, в частности при измерении импульсов СО - лазера порядка 10 - 10ЬВ/Вт.

Кроме того, согласно известному способу, время отклика полупроводникового фотоприемника определяется, временем распостранения излучения по полупроводнику. Поскольку длина полу987713 проводниковой пластины составляет несколько сантиметров, это соответствует времени отклика 3 10 " с. Существующие лазеры генерируют импульсы пикосекундной длительности, что требует уменьшения à детекторов по край ей мере на порядок. 5

Цель изобретения " повышение чувствительности и уменьшение времени отклика.

Эта цель достигается тем, что согласно способу измерения мощности элек-1О .тромагнитного излучения, при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изготовленный иэ этого полупроводника детектор, измеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность как частное от деления фотоотклика на фоточурствительность детектора, выбирают полупроводник с частотой плазмен- 20 ного отражения выше частоты измеряе" мого излучения, излучение направляют на туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в качестве фотоотклика измеряют изменение со- 25 противления туннельного перехода.

Устройство для измерения мощности электромагнитного излучения выполнено в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически ЗО соединенными с блоком измерения электрического сигнала, при этом полупроводниковая пластина изготовлена из сильнолегираванного полупроводника, а один из контактов выполнен в виде З5 туннельного перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки,.причем слой металла полупрозрачен для измеряемого излучения.

На чертеже приведена схема полу" проводникового детектора излучения.

Детектор состоит из полупроводниковой пластины 1 из сильнолегированного полупроводника, омического 2 и туннельного 3 металлических койтактов, причем контакт 3 является полу" прозрачным для измеряемого излучения.

Физические процессы, лежащие в основе предлагаемого способа измерения мощности электромагнитного излучения и устройства для его осуществления, 50 можно описать следующим образом.

В полупроводнике вблизи границы с металлом образуется потенциальный барьер Шоттки, что приводит к обра рованию обедненного носителями слоя и SS смещению границы электронного газа вглубь от поверхности полупроводника.

Длина обедненного слоя, т.е. толщина потенциального. барьера Шоттки, опре" деляет вероятность туннелирования электронов через барьер Шоттки, а следовательно, сопротивление туннельного контакта металл-полупроводник.

Пусть на туннельный контакт металлполупроводник падает электромагнитное65 излучение перпендикулярно границе раздела между полупроводником и металлом. Если частота этого излучения ниже частоты плазменного отражения для данного полупроводника, то про» ,исходит эффективное отражение излучения от электронного газа полупроводйика, что сопровождается передачей импульса излучения электронам (световое давление) и,соответственно приводит к смещению границы электронного газа (увеличению длины обедненного слоя). Последнее влечет за собой изменение туннельного сопротивления контакта металл-полупроводник.

Для измерения фотоотклика такого детектора используют обычную электрическую схему, включающую в себя последовательно соединенные детектор, сопротивление нагрузки, источник ЭДС.

При этом на сопротивлении нагрузки измеряют изменение напряжения, вызванное изменением сопротивления детектора (туннельного контакта) под действием электромагнитного излучения и вычисляют мощнос=ь как частное от деления величины изменения напряжения на сопротивлении нагрузки к величине чувствительности.

Одним из основных преимуществ предлагаемого способа измерения мощности электромагнитного излучения по сравнению с известным на основе эффекта увеличения электронов фотонами является более высокая чувствительность. .Расчеты показывают, что при размерах приемной площадки, обеспечивающих равное с известным способом быстродействие, чувствительность может быть выше на два порядка. Уменьшая диаметр приемной площадки, можно увеличить быстродействие, отношение же чувствительности к постоянной времени остается при этом неизменным.

К преимуществам данного способа относится также воэможность использования планарной технологии изготовления туннельных контактов. На поверх" ность полупроводниковой пластины (толщина ее может быть >i 10 MKM) наносится тонкий слой металла, а затем с помощью фотолитографии лишний металл удаляют, оставляя на поверхности пластины металлические кружки нужного диаметра. Поскольку для обеспечения оптимальных параметров детекторов диаметр таких кружков должен состав лять десятки или единицы микрон, таких кружков-контактов на 1 см поверхности полупроводниковой пластины может быть более 1000 штук, что позволяет, В принципе, с помощью такой матрицы детекторов измерять распреде" ление энергии по площади пучка.

Кроме того, благодаря малым размерам предлагаемого детектора на основе туннельного контакта металл-полупроводник при современной технологии

987713

P ycunumenrn

Составитель А.Егоров

Техред О.Неце Корректор Н.Король

Редактор A.Ìîòûëü

Эаказ 10317/42 Тираж 701 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 имеется возможность совместить в одном полупроводниковом, кристалле детектор и усилитель электрического. сигнала.

Формула изобретения 5

1. Способ измерения мощности электромагнитного излучения,при котором измеряемое излучение с частотой, лежащей вне области собственного поглощения полупроводника, направляют на изго- 10 товленный из этого полупроводника детектор,иэмеряют фотоотклик детектора и вычисляют мощность,как частное от деления фотоотклика на фоточувствительность детектора,о т л и ч а ю щ и й- g с я тем,что,с целью повышения чувствительности и уменьшения времени отклика,выбирают полупроводник с частотой плазменного отражения выше частоты измеряемого излучения,излучение направ- ляют на туннельный переход металл-полупроводник со стороны металла,а в качестве фотоотклика измеряют изменение сопротивления туннельного перехода.

2. Устройство для измерения мощности электромагнитного излучения, выполненное в виде полупроводниковой пластины с двумя контактами, электрически соединенными с блоком измерения электрического сигнала, о т л ич а ю щ е е с я тем, что полупроводниковая пластина изготовлена из сильнолегированного полупроводника, а один из контактов выполнен в виде туннельного перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки, причем слой метал" ла полупрозрачен для измеряемого из» лучения.

Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

1. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М., Наука, 1968, с. 22-31.

2. Рывкин С.M. и Ярошецкий Н.Д.

Увеличение электронов фотонами в по лупроводниках. Проблемы современной физики. Сб. статей к 100-летию Иоффе А.Ф. Ленинград, Наука, 1980, с. 173-184 (прототип) .