ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PHOTOCONVERTER

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).
(1-x)
x
x
(1-x)
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 S. 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 ZnSSe 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
1
F
Δ = E – E
1
F
min
max
энергии первого разрешенного уровня носителей заряда в нанопроводе E и энергии Ферми носителей заряда в контакте E определяет минимальную частоту (ν) и максимальную длину волны (λ) поглощаемого электромагнитного излучения
min
max
min
ν = Δ/h, λ = c/ν,
⊥
где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме. При фиксированной температуре T и поперечных размерах нанопровода L, меньших, чем длина размерного квантования материала
dq
2
1/2
L(T) = (3h8m*kT),
min
⊥
из которого он сформирован, величины Δ и ν 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.
1
Электрическое поле в структуре распределено таким образом, что образующиеся при поглощении электромагнитного излучения избыточные электроны с энергиями, большими или равными E, будут выталкиваться полем из нанопровода в контакты. В результате, возникает индуцированная внешним электромагнитным излучением разность потенциалов между контактами
ind
ph
V = Wh/(2рkTe)
ph
где W – мощность внешнего электромагнитного излучения; T – 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
v
ph
S = h/(2рkTe).
2
ph
Матрицы нанопроводов из антимонида имеют удельные сопротивления r порядка 50°мОм*см. То есть при T = 300°K удельная ампер-ваттная чувствительность
J
v
S = S/r
5
2
будет порядка 10°А/(Вт*см).
2
2
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/см имеется возможность получения до 10°Вт/см 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.