eng
Выпуск #1/2011
Г.Лубегин, Д.Онищенко, В.Гуслянников
Инжекционные фотодиоды на основе монокристаллов АIIBVI
Инжекционные фотодиоды на основе монокристаллов АIIBVI
Просмотры: 2985
Миниатюрные персональные приборы, предупреждающие о скоплении метана или, наоборот, о нехватке кислорода в рабочих и жилых зонах, – это просто спасение чьих-то жизней. В газоанализаторах повышенной чувствительности используют инжекционные фотодиоды (ИФД). Разработан метод варьирования количества халькогенидов металлов в твердых растворах монокристаллов АIIBVI, который позволяет создать целый ряд ИФД, обладающих чувствительностью в различных областях оптического спектра.
Теги: gas analyser injection photodiodes аiibvi solid compounds газоанализатор инжекционные фотодиоды монокристаллы аiibv
Измерения концентрации веществ, загрязняющих воздух, актуальны для промышленных предприятий. Известные способы оценки загрязнения воздуха используют спектрально-оптические методы, основанные на изменении интенсивностей спектральных линий, излученных или поглощенных анализируемой средой. Разработка новых технологий ИФД позволяет создать газоанализаторы повышенной чувствительности. Они необходимы для оперативных локальных измерений концентраций взрывоопасных продуктов, а также дозы ультрафиолетовых и рентгеновских излучений, стрессовых излучений в видимой и ИК-областях [1]. В первом случае контроль заключается прежде всего в спектрофотометрировании линий и полос поглощений (абсорбционные методы) или линий и полос излучений (эмиссионные методы) в различных областях оптического спектра (ближней ультрафиолетовой, видимой, ближней инфракрасной) вредных химических веществ [2]. Во втором случае – это измерение мощности доз излучений канцерогенных и стрессовых источников в различных областях оптического спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной.
В ходе экспериментов были исследованы структуры ИФД с n–n+ -переходом на основе монокристаллов твердых растворов АIIBVI. Эти ИФД имеют высокие характеристики: по спектральной чувствительности они сравнимы с ФЭУ, а по селективности – с интерференционными фильтрами. ИФД отличаются от обычных обратносмещенных фотодиодов с p–n переходом на основе традиционных материалов, например элементарных полупроводников IV группы (Si, Ge) или бинарных соединений групп AIIIBV (GaAs) и AIVBVI (PbS). Это отличие в том, что они предназначены для работы со слабыми световыми потоками при прямом смещении, когда реализуется инжекционное усиление фототока. Механизм внутреннего инжекционного усиления фототока при прямом смещении основан на перераспределении напряжения смещения между высокоомной и низкоомной областями структуры. Причина такого перераспределения – изменение проводимости высокоомной области при освещении ее светом с длиной волны λ, близкой к краю поглощения исходного монокристалла, и возникновения в связи с этим положительной обратной связи по току. Этот механизм хорошо описан [3].
Исследуемые инжекционные структуры n–n+-типа создавались методами осаждения металлов в вакууме и термодиффузии примесей в инертной атмосфере. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиодных структур определяли на стенде; в его состав входили спектрофотометр СФ-46, вольтметр универсальный В7-21 и источник питания постоянного тока типа Б5-43. Типичная ВАХ исследуемых ИФД на основе монокристаллов твердых растворов CdSySe1-y представлена на рис.1. Прямые темновые токи ВАХ имели диодный характер (кривая 1). Наблюдаемые обратные темновые токи всех структур при напряжениях смещения 1–10 В не превышали 10-8А. Особое внимание привлекают спектральные характеристики исследованных фотодиодных структур на основе монокристаллов CdSySe1-y. Характеристики всех восьми пронумерованных образцов структур ИФД представлены на рис.2 и 3. Образцы имели продольную конструкцию (вектор плотности тока коллинеарен вектору падающей электромагнитной волны). Удельное сопротивление исходных полупроводников составляло ρ~101–102 Ом . см. Площадь фоточувствительной поверхности Sпов~1 мм2. Образцы структур имели различные величины токовых чувствительностей в максимумах, а их фототоки изменялись в интервале 10-7–10-2 А при рабочих напряжениях смещения 0,5–6 В. Положения максимумов фоточувствительностей структур по спектру находились в интервале длин волн 519–726 нм. Полоса спектральной чувствительности на уровне 0,5 составляла 5–30 нм. Спектральная чувствительность в максимуме спектральной характеристики находилась в пределах от 5,4 . 102 до 1,69 . 106 отн. ед.
В разработанный многофункциональный прибор экологического контроля на основе ИФД входят фотоприемные устройства (ФПУ) [4] и цифровое измерительное устройство (ИУ), разработанные на кафедре общей физики МИЭТ. В ИУ данные о концентрации вещества, мощности доз излучений и о поглощенной накопленной дозе выводят на экран дисплея. В приборе использован микроконтроллер серии AVR фирмы ATMEL с JTAG-интерфейсом, совместимым со стандартом IEEE 1149.1. Прибор работает в автоматическом режиме; он программируемый, экономичен в работе (см. таблицу), имеет небольшие габариты (рис.4) и невысокую себестоимость. С помощью коррекции программного обеспечения микроконтроллера можно вводить в память прибора предельно допустимые концентрации химических веществ или нижний взрывоопасный предел летучих органических веществ и химических продуктов. Для контроля их превышения предусмотрена подача предупредительных и аварийных сигналов (звуковых, световых, вибрационных).
Литература
1. Лубегин Г.В. Дозиметрический контроль ультрафиолетового облучения биологических объектов. – Землеустройство, кадастр и мониторинг земель, 2008, №1.
2. Лубегин Г.В. Дозиметрический контроль ультрафиолетового облучения биологических объектов. – Новые экологические технологии, методики, оборудование, измерительные приборы и системы для исследования окружающей среды и природных ресурсов./Под ред. Т.Б. Агеева. – М. :ЦНТИ Мелиоводинформ, 2001, вып.2.
3. Викулин И.М., Курмашев Ш.Д., Стафеев В.И. Фотоприемники с инжекционным усилением. – Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы. – М.: ЦНИИ "Электроника", 1989, вып.4.
4. Лосев В.В., Лубегин Г.В., Орлов Б.М. Характеристики фотоприемников на основе твердых растворов соединений ZnхCd1-хS для УФ- и видимой областей спектра.– Изв. вузов. Электроника, 2002, №6.
В ходе экспериментов были исследованы структуры ИФД с n–n+ -переходом на основе монокристаллов твердых растворов АIIBVI. Эти ИФД имеют высокие характеристики: по спектральной чувствительности они сравнимы с ФЭУ, а по селективности – с интерференционными фильтрами. ИФД отличаются от обычных обратносмещенных фотодиодов с p–n переходом на основе традиционных материалов, например элементарных полупроводников IV группы (Si, Ge) или бинарных соединений групп AIIIBV (GaAs) и AIVBVI (PbS). Это отличие в том, что они предназначены для работы со слабыми световыми потоками при прямом смещении, когда реализуется инжекционное усиление фототока. Механизм внутреннего инжекционного усиления фототока при прямом смещении основан на перераспределении напряжения смещения между высокоомной и низкоомной областями структуры. Причина такого перераспределения – изменение проводимости высокоомной области при освещении ее светом с длиной волны λ, близкой к краю поглощения исходного монокристалла, и возникновения в связи с этим положительной обратной связи по току. Этот механизм хорошо описан [3].
Исследуемые инжекционные структуры n–n+-типа создавались методами осаждения металлов в вакууме и термодиффузии примесей в инертной атмосфере. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиодных структур определяли на стенде; в его состав входили спектрофотометр СФ-46, вольтметр универсальный В7-21 и источник питания постоянного тока типа Б5-43. Типичная ВАХ исследуемых ИФД на основе монокристаллов твердых растворов CdSySe1-y представлена на рис.1. Прямые темновые токи ВАХ имели диодный характер (кривая 1). Наблюдаемые обратные темновые токи всех структур при напряжениях смещения 1–10 В не превышали 10-8А. Особое внимание привлекают спектральные характеристики исследованных фотодиодных структур на основе монокристаллов CdSySe1-y. Характеристики всех восьми пронумерованных образцов структур ИФД представлены на рис.2 и 3. Образцы имели продольную конструкцию (вектор плотности тока коллинеарен вектору падающей электромагнитной волны). Удельное сопротивление исходных полупроводников составляло ρ~101–102 Ом . см. Площадь фоточувствительной поверхности Sпов~1 мм2. Образцы структур имели различные величины токовых чувствительностей в максимумах, а их фототоки изменялись в интервале 10-7–10-2 А при рабочих напряжениях смещения 0,5–6 В. Положения максимумов фоточувствительностей структур по спектру находились в интервале длин волн 519–726 нм. Полоса спектральной чувствительности на уровне 0,5 составляла 5–30 нм. Спектральная чувствительность в максимуме спектральной характеристики находилась в пределах от 5,4 . 102 до 1,69 . 106 отн. ед.
В разработанный многофункциональный прибор экологического контроля на основе ИФД входят фотоприемные устройства (ФПУ) [4] и цифровое измерительное устройство (ИУ), разработанные на кафедре общей физики МИЭТ. В ИУ данные о концентрации вещества, мощности доз излучений и о поглощенной накопленной дозе выводят на экран дисплея. В приборе использован микроконтроллер серии AVR фирмы ATMEL с JTAG-интерфейсом, совместимым со стандартом IEEE 1149.1. Прибор работает в автоматическом режиме; он программируемый, экономичен в работе (см. таблицу), имеет небольшие габариты (рис.4) и невысокую себестоимость. С помощью коррекции программного обеспечения микроконтроллера можно вводить в память прибора предельно допустимые концентрации химических веществ или нижний взрывоопасный предел летучих органических веществ и химических продуктов. Для контроля их превышения предусмотрена подача предупредительных и аварийных сигналов (звуковых, световых, вибрационных).
Литература
1. Лубегин Г.В. Дозиметрический контроль ультрафиолетового облучения биологических объектов. – Землеустройство, кадастр и мониторинг земель, 2008, №1.
2. Лубегин Г.В. Дозиметрический контроль ультрафиолетового облучения биологических объектов. – Новые экологические технологии, методики, оборудование, измерительные приборы и системы для исследования окружающей среды и природных ресурсов./Под ред. Т.Б. Агеева. – М. :ЦНТИ Мелиоводинформ, 2001, вып.2.
3. Викулин И.М., Курмашев Ш.Д., Стафеев В.И. Фотоприемники с инжекционным усилением. – Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы. – М.: ЦНИИ "Электроника", 1989, вып.4.
4. Лосев В.В., Лубегин Г.В., Орлов Б.М. Характеристики фотоприемников на основе твердых растворов соединений ZnхCd1-хS для УФ- и видимой областей спектра.– Изв. вузов. Электроника, 2002, №6.
Отзывы читателей
