Фотоприёмник, использующий эффект УЭФ при температурах Дебая фононов*

 *Запатентовано

 

Температурная зависимость эффекта увлечения электронов фононами при температурах Дебая фононов (УЭФ) формально представляет собой температурную зависимость термоэдс (температурную зависимость эффекта Зеебека). Такие температурные зависимости в полупроводниковых материалах, содержащих электронно-колебательные центры, имеют узкие полосы шириной 2Θ (2 K ≤ Θ ≤ 5 K), расположенные при температурах Дебая фононов (Tm), что качественно показано на рис. 1. На верхнем графике изображена температурная зависимость УЭФ (термоэдс) при ΔT = T2 –T1 < Θ. На нижнем графике изображена зависимость УЭФ (термоэдс) в зависимости от Т2 при Т1 = const < Tm. Кривая на нижнем графике по существу представляет собой интеграл от кривой на верхнем графике. Видно, что величина УЭФ не зависит от ΔT = T2 –T1, если T2 > Tm. В таких условиях кривая на нижнем графике не зависит от температуры, но зависит от освещения полупроводника. Это служит основой действия термостабильного и низкошумящего фотоприемника.

 

Fig. 1

 

Нужно сказать что в кристаллах могут существовать различные фононы: акустические – поперечные (АТ) и продольные (AL) и оптические - поперечные (OТ) и продольные (OL). Как показали эксперименты, в данном эффекте наиболее активны продольные фононы. Вообще говоря, в температурной зависимости УЭФ каждого материала имеются узкие полосы УЭФ при дебаевых температурах (в основном) продольных фононов, распространяющихся в материале вдоль трех основных кристаллографических направлений. Как правило, температуры Дебая акустических и оптических фононов значительно различаются между собой. Так в кремнии для направлений <111>, <110> и <100> акустические LA фононы имеют примерные температуры Дебая 200 К, 215 K и 252 K, соответственно, а оптические ТА и LА фононы имеют температуры Дебая около 715 K и 758 K. Целесообразно и удобно работать вблизи комнатной температуры. При этом надо иметь в виду, что в тонких слоях полупроводников на полуизолирующих и диэлектрических подложках имеют полосы УЭФ при температурах Дебая фононов подложки. Поэтому имеется огромный выбор полупроводниковых материалов и диэлектрических или полуизолирующих подложек с различными температурами Дебая. Это позволяет выбрать подходящие материалы для чувствительного элемента фотоприемника для работы вблизи комнатных температур.

 

Например, для работы вблизи комнатной температуры удобно применять кремниевые образцы (температура Дебая 252 K), выбрать температуру T2 вблизи комнатной температуры (20 °C, 293 K) или несколько выше. Для этого достаточно обеспечить тепловой контакт с воздушным радиатором одного из двух электродов, образующих контакт к полупроводнику в фотоприемнике. Нижнюю температуру T1 надо выбрать меньше 252 K, например, охлаждая второй электрод чувствительного элемента фотоприемника с помощью полупроводникового элемента Пельтье. Конструкционная схема образца такого фотоприемника изображена на рис. 2.

 

 

Fig. 2

 

Изолирующий слой может представлять собой пластину диэлектрика: стекла, силита, сапфира и др. Функцию радиаторов может выполнять металлический корпус прибора, который также будет экранировать прибор от внешних электрических полей (наводок) и защищать элементы прибора от механических повреждений.

 

Регистрируемое излучение вызывает изменение величины термоэдс в материале между электродами. Соответственно, между электрическими выводами 1 и 2 возникает дополнительная (положительная или отрицательная термоэдс (УЭФ), которая регистрируется внешним измерительным прибором и служит выходным сигналом фотоприемника, представляющим действие излучения (его мощность, интенсивность).

Данная конструкция (рис. 2) довольно проста, не требует автоматического поддержания температур T1 и T2, потребляет сравнительно мало энергии, технологична и недорога. Желательно, чтобы отличие температур T1 и T2 от дебаевой температуры Tm превышало хотя бы 2Θ, тогда термоэдс (УЭФ) между электродами не будет зависеть от температуры материала, а изменения температуры не повлияют на величину УЭФ, как показано в описании изобретения. Если выбрана температура Дебая Tm существенно выше комнатной (выше температуры окружающей среды), то целесообразно подогревать оба электрода до разных температур: T1 < Tm < T2. Тогда конструкционная схема такого фотоприемника иная, она изображена на рис. 3.

 

Fig. 3

 

Можно, однако, нижнюю температуру выбрать равной температуре окружающей среды, снабдив один из двух электродов радиатором, а второй подогревать до T2 > Tm, как показано на рис 4.

 

Fig. 4

 

 

В данном случае требуется, чтобы выполнялось условие T2 превышало Tm хотя бы на 5...10K, а следовательно, необходим  датчик температуры T2 – например, термопара, соединенная с электронным регулятором тока нагревательного элемента.

 

Другие конструкции фотоприемников могут иметь другие формы чувствительного элемента, например, имеющие протравленные ямки или канавки в полупроводниковой пластине, как показано на рис 5.

 

Fig. 5

 

 

В данном случае потребуется электрод 2 сделать полупрозрачным, что увеличит оптические потери в приборе наряду с аналогичным влиянием оптических окон в корпусе прибора, если эти конструкции размещены в корпусах. Однако при такой конструкции образца сложно создавать разность температур между электродами. В то же время здесь само собой реализуется возникновение неоднородного распределения ЭКЦ за счет света. Кроме того, такая конструкция предпочтительна для создания разности температур за счет внешнего напряжения между электродами, когда желательно иметь большую площадь образца.

 

Отдельно можно говорить о фотоприемнике, основанном на наличии градиента концентраций ЭКЦ. При этом важно понять, что существенным является градиент электрически активных ЭКЦ. Градиент таких ЭКЦ можно создавать путем неравномерного введения ЭКЦ в материал, а также за счет самого регистрируемого изучения, например, закрыв экраном часть материала между электродами. Тогда концентрация электрически активных ЭКЦ в освещенной области материала будет отличаться от их концентрации в затемненной экраном области из-за чего возникнет УЭФ, своей величиной отражающий интенсивность регистрируемого излучения. Схематично это показано на рис. 6.

 

Fig. 6

 

 

Магнитное поле для снижения внутренних шумов можно создавать, помещая описанные конструкции внутрь цилиндрического электромагнита или цилиндрического постоянного магнита, который можно поворачивать и устанавливать под произвольным углом к току в материале между электродами. Выбирая угол можно оптимизировать соотношение шум/сигнал.

 

Прикладывая между электродами внешнее напряжение, манипулируя его полярностью и изменяя его величину, вызывают изменения направления движения и количество фононов (изменение потока тепла), сопровождающие электронно-колебательные переходы и тем самым регулируют величину разности температур и манипулируют направлением потока тепла в материале между электродами. Другими словами можно создавать большие по площади слои контактов с полупроводниками, в которых тепловой поток регулируют посредством напряжения между электродами. Для таких целей пригодны тонкослойные образцы или образцы с бороздами или ямками травления. Можно создавать такие слои контактов и полупроводников, например, в виде замкнутых слоев, охватывающих некоторый трехмерный объем пространства. С помощью внешнего напряжения прикладываемого между контактами создается приток или отток тепла от этого замкнутого объема, обеспечивается изменение внутренней энергии и температуры в таком объеме.

 

Процедура измерения температурной зависимости УЭФ вполне применима для определения значений Tm, что можно использовать для стабилизации температуры материала между электродами приборов вблизи Tm. Для этого соответствующая электронная схема должна с помощью нагревателя установить температуру в максимуме температурной зависимости УЭФ. Следовательно, полупроводниковые структуры приборов целесообразно делать с двумя или большим количеством пар электродов. Одна пара используется для определения величины Tm как опорного значения температуры и соединена с электронной схемой стабилизации температур T1 и T2 , а вторая пара (другие пары) электродов используются для других применений, например для регистрации внешнего излучения (например, в виде линейки или матрицы фотоприемников для считывания оптического изображения).