RU2280845C2

RU2280845C2 - Method of registration of light flux

Info

Publication number: RU2280845C2
Application number: RU2004133613/28A
Authority: RU
Inventors: хтенко Павел Григорьевич Шл (RU); Павел Григорьевич Шляхтенко; Нина Васильевна Милешкина (RU); Нина Васильевна Милешкина; Владимир Дмитриевич Калганов (RU); Владимир Дмитриевич Калганов; Сергей Николаевич Гончаров (RU); Сергей Николаевич Гончаров
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-07-27
Also published as: RU2004133613A

Abstract

FIELD: optic engineering.

SUBSTANCE: method can be used for receiving and registering light radiation and for production of IR-red spectrum detectors. Detectors are intended for application in micro and nanometer technological devices. Light flux to be measured is focused onto area of maximal photosensitivity of autoelectronic cathode made of high-resistance semiconductor at the condition of hν₁>ΔE, where h is Plank constant, ν₁ is frequency of light to be registered, ΔE is forbidden zone width of used semiconductor emitter, to which emitter the negative potential of constant voltage is applied. Value of autoelectronic emission current is measured which current flows in anode circuit. The value of the current is used to judge of intensity of registered light flux. Total surface of autoelectronic cathode is illuminated with intensity constant light within frequency range of ν₂, which frequencies meet the condition of hν₂>ΔE.

EFFECT: improved sensitivity due to additional illumination of the cathode.

3 dwg

Description

Изобретение относится к методам приема и регистрации светового излучения и может быть использовано при создании датчиков для инфракрасной области спектра.The invention relates to methods for receiving and recording light radiation and can be used to create sensors for the infrared region of the spectrum.

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.A known method of recording the light flux incident on the photocathode described in [1] I.V. Saveliev ″ Course of General Physics ″, t.3, Nauka, M., 1971, p.275, which serves minus from the rectifier and register the current torn from the photocathode by the action of electron light, ″ external photoelectric effect ″. Photodetectors working by this method are called photocells. The condition for their operability is the fulfillment of the inequality hν> A, where hν is the energy of the light quantum incident on the cathode, and A is the electron work function from the cathode material. The disadvantages of the method include the difficulty of manufacturing a cathode with a low work function and low values of the quantum yield k <1. k is equal to the ratio of the number of electrons pulled by light quanta from the cathode to the number of quanta incident on it.

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.A known method of recording the light flux described in [2] I.V. Saveliev ″ Course of General Physics ″, t.3, Nauka, M., 1971, p.280, which consists in illuminating the semiconductor with the studied light and measuring the current flowing through the semiconductor at a constant value of the applied voltage. The operation of the method is based on the so-called "internal photoelectric effect", when under the influence of light in the semiconductor the concentration of free charges increases, leading to a decrease in the resistance of the semiconductor. The condition for the method to work is the inequality hν> ΔE _g , where h is the Planck constant, ν is the frequency of light, ΔE _g is the band gap in the intrinsic semiconductor, the energy gap between the conduction band and impurity levels in the n-type semiconductor, or the energy gap between the valence band and impurity levels in a p-type semiconductor.

К недостатку метода относится малая величина квантового выхода k<1.The disadvantage of the method is the small quantum yield 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.Closest to the claimed one is the method of recording the light flux used in [3] by B.V. Stetsenko, A.F. Yatsenko Фот Photokinetics of autophotoelectronic emission from p-type silicon ″ Ukrainian Physical Journal, t.17, No. 10, p.1637 , 1972, which consists in the fact that the investigated luminous flux is focused on the tip of a needle-shaped autocathode made of a semiconductor to which minus a constant voltage is applied, and the magnitude of the field emission current flowing in the anode circuit is measured by which the intensity of the detected light is judged vogo flow.

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.The efficiency of the method is due to the fact that when the emitter tip is illuminated, the “internal photoelectric effect”, the concentration of photoelectrons in the near-surface region of its tip increases, which move in a penetrating accelerating field to its surface and tunnel through the potential barrier. This occurs where the values of the electric field are maximum, the radius of curvature of the surface is minimal, and, therefore, the transparency of the barrier is maximum.

Условием работоспособности метода является выполнение неравенства hν>ΔE_g, где ΔE_g - ширина запрещенной зоны используемого полупроводника.The condition for the operability of the method is the fulfillment of the inequality hν> ΔE _g , where ΔE _g is the band gap of the semiconductor used.

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.The magnitude of the field emission current flowing in the anode circuit is directly related to the concentration of photoelectrons and increases with increasing concentration, which makes it possible to judge from this value the intensity of the light flux incident on the autocathode. The quantum yield in photodetectors according to the method [3] can significantly exceed the values typical for methods [1-2], that is, k> 1.

Недостатком способа можно считать относительно низкую чувствительность, что сказывается при приеме слабых сигналов.The disadvantage of this method can be considered relatively low sensitivity, which affects the reception of weak signals.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности метода из-за увеличения квантового выхода.The technical result of the present invention is to increase the sensitivity of the method due to the increase in quantum yield.

Поставленная задача по способу увеличения чувствительности метода достигается тем, что измеряемый световой поток фокусируют на области максимальной фоточувствительности автокатода, изготовленного из полупроводника, при условииThe objective of the method for increasing the sensitivity of the method is achieved by the fact that the measured luminous flux is focused on the region of maximum photosensitivity of the autocathode made of a semiconductor, provided

hν₁>ΔЕ,hν ₁ > 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.where h is the Planck constant, ν ₁ is the frequency of the detected light, ΔE is the band gap of the material of the used semiconductor autocathode, which is supplied with a minus DC voltage and the field emission current measured in the anode circuit is measured, which is used to judge the intensity of the recorded light flux, in addition, the entire cathode is illuminated with a constant light intensity in the frequency region ν ₂ satisfying the condition hν ₂ > ΔE.

Заявляемое решение является новым, так как ранее нигде не описано.The claimed solution is new, as it has not been previously described.

На представленных фиг.1-3 показан принцип действия изобретения.In the presented figures 1-3 shows the principle of the invention.

Для проверки работоспособности метода был собран макет действующей установки по заявляемому методу, представленный на фиг.1.To verify the operability of the method was assembled a model of the current installation according to the claimed method, presented in figure 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.Light from a helium-neon laser 1, LGN-109, with a wavelength of λ = 0.63 μm through slots in the disk of a modulator 2, rotating from the engine 3, plane-parallel glass 4 is focused by a lens 5 on the tip of a needle-shaped autocathode 6, made as an example of implementation the proposed solution from a high-resistance crystal of gallium arsenide, p = 10 ⁶ Ohm · cm

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.The minus from the high-voltage rectifier 7 is supplied to the cathode. The magnitude of the field emission current is controlled using an oscilloscope 8, C1-70, the input resistance of which 10 ⁶ Ohms is connected to the anode output of the vacuum device 10. A part of the light reflected from the glass 4 is fed to photodiode 11, which converts it into an electrical signal, which, after amplification in block 12, is supplied to the synchronizing input of the oscilloscope. The image on the screen of the oscilloscope using a digital camera 13 is transferred to the display of the computer 14. To illuminate the cathode, light from a tungsten incandescent lamp 15, fed through a key 16 from a constant source 17, a battery of standard elements is used.

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.Figure 2 shows an enlarged image of the needle autocathode 6. The light 18 from the laser 1 is focused in the region of maximum photosensitivity at the tip of the needle autocathode 6 when the condition hν ₁ > ΔE is fulfilled. For gallium arsenide, ΔE = 1.4 eV. Constant in intensity light 19 from a tungsten incandescent lamp, the entire autocathode 6 is fully illuminated.

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.Figure 3 shows two typical sequential waveforms for the absolute value of the field emission current. The dependence of the current on time 20, shown by a dotted line, was obtained when the key 16 was turned off, that is, when the registration method of the prototype of the present invention is implemented [3]. Dependence 21, depicted by a solid line, is obtained with key 16 turned on, that is, when, in accordance with the claims, the entire autocathode is additionally illuminated with a constant intensity light in the visible region of the spectrum, when the condition hν is fulfilled for the gallium arsenide used as an example of the implementation of the claimed solution ₂ > ΔE.

Где h - постоянная Планка, h=6,62·10^-34Дж·c, ν - частота, ΔЕ - ширина запрещенной зоны используемого полупроводникового эмиттера.Where h is the Planck constant, h = 6.62 · 10 ^-34 J · s, ν is the frequency, ΔЕ is the band gap of the semiconductor emitter used.

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.From a comparison of curves 20 and 21, figure 3, it is seen that the sensitivity of the proposed solution is 1.57 times greater than in the method of the prototype. Curve 21 goes significantly higher than curve 20, which proves its operability.

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.Additionally, from the data of FIG. 3, it follows that the establishment time of the leading and trailing edges of the photocurrent pulse, that is, the relaxation time, is shorter in the inventive method than in the prototype method, which is also a useful effect, since it increases the speed of the claimed solution. The efficiency of the method is explained by the fact that when the tip is illuminated with a constant light in the specified frequency range, that is, the “internal photoelectric effect”, the emitter resistance decreases, and consequently, the voltage drop across the emitter due to the flow of field emission, which leads to an increase in the electric field strength its tip and a corresponding increase in the transparency of the potential barrier at its surface. The latter increases the amount of photocurrent addition due to the action of the recorded light flux, that is, to increase the sensitivity of the method due to an increase in the quantum yield, as shown in [4] by SNGoncharov, VDKalganov, NVMileshkina, AIPriloutsky and PGShlyhtenko, 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 p. 143-154. Sensitivity is the ratio of the photoresponse to the intensity of light.

Существенное отличие достигается тем, что весь автокатод дополнительно освещают постоянным по интенсивности светом, что обеспечивает достижимый результат.A significant difference is achieved in that the entire cathode is additionally illuminated with a constant light intensity, which ensures an achievable result.

Claims

The method of recording the luminous flux, namely, that the measured luminous flux is focused on the region of maximum sensitivity of the autocathode made of a semiconductor, provided

hν ₁ > ΔЕ,

where h is the Planck constant, ν ₁ is the frequency, ΔЕ is the band gap of the material of the used semiconductor autocathode, to which minus a constant voltage is applied, and the magnitude of the field emission current flowing in the anode circuit is measured, which is used to judge the intensity of the recorded light flux, characterized in that, in addition, the entire autocathode is illuminated with a constant intensity light in the frequency region ν ₂ satisfying the condition

hν ₂ > ΔE.