Двумерный координатно-чувствительный приемник оптического излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением

УДК 621.365.2

Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков, Б.Н. Рахимов СГГ А, Новосибирск

ДВУМЕРНЫЙ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК С АНОМАЛЬНЫМ ФОТОНАПРЯЖЕНИЕМ

В данной работе рассматриваются принципы построения, конструкция и технология изготовления в лабораторных условиях двумерно координатно-чувствительных автономных приемников оптического излучения (ПОИ) на основе тонких пленок из полупроводниковых соединений CdSe и CdTe:Ag. Такие приемники генерируют аномально высокие фотонапряжения (АФН) и могут использоваться в качестве автономных ПОИ для определения координат источника светового излучения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах.

N.R. Rakhimov, O.K. Ushakov, B.N. Rakhimov SSGA, Novosibirsk

TWO-DIMENSIONAL COORDINATE-SENSITIVE OPTICAL RECEIVER ON THE BASIS OF ANOMALOUS PHOTOVOLTAGE FILM

The paper deals with the principles of designing as well as the construction and technology of making (on the laboratory scale) two-dimensional coordinate-sensitive autonomous optical receivers on the basis of the thin films of semiconductor compounds CdSe and CdTe:Ag. The receivers generate abnormally high photovoltage and may be used as autonomous optical receivers to determine the light source coordinates in optoelectronic devices and robots.

Известно [1, 2], что пленки, обладающие аномальным фотонапряжением (АФН), представляют собой функциональный преобразователь, трансформирующий световой поток интенсивности Ф0 в аномально большое фотонапряжение V^n.

Это объясняется тем, что фотоэдс (или фотонапряжение) в полупроводниках независимо от ее природы не может превышать ширину запрещенной зоны, т.е. несколько вольт [1]. Например, в однородном полупроводнике демберовское (диффузионное) фотонапряжение для сколь угодно большой интенсивности возбуждающего света не превышает значения:

kT пх кТ Nc

V-—In—« — In—- = Е

q п0 q Щ

здесь E - ширина запрещенной зоны полупроводника; щ и п0 -

соответственно неравновесная и равновесная концентрация носителей; Nc -

плотность состояний.

Другим примером может служить фотонапряжение, возникающее при освещении p-n- перехода [2].

т,ЛТ. ппрр _

V < In 9 — ЕРп ЕРр,

0

которое также не превышает Б?. Здесь пп и ^ - соответственно

концентрации электронов в ^области и дырок в p-области, и Б^ - энергии

уровня Ферми в п- и p- областях.

До последнего времени исключение из этого правила составляли лишь полупроводниковые текстуры, в которых наблюдается эффект аномально больших фотонапряжений (АФН-эффект), обусловленный сложением элементарных фотоэдс Дембера (1) или элементарных фото э.д.с. (2), развивающихся на отдельных p-n-переходах текстуры [4].

В зависимости от функциональных возможностей ПОИ подразделяют на амплитудные (интегральные), реагирующие только на величину среднего значения освещенности их фоточувствительной поверхности, и координатночувствительные (информационные), реагирующие на пространственное распределение оптического сигнала. Координатно-чувствительные ПОИ в свою очередь подразделяются на селективно-преобразовательные, позиционночувствительные [5] и двумерные координатно-чувствительные.

Двумерный координатно-чувствительный ПОИ относится к наиболее универсальным, так как позволяет преобразовывать в электрический сигнал всю информацию о пространственном распределении интенсивности оптического сигнала. Большинство двумерных координатно-чувствительных ПОИ используют принцип прибора с зарядовой связью (ПЗС). В настоящей работе получен двумерный координатно-чувствительный автономный приемник оптического излучения, из полупроводниковых соединений в виде двумерной (по координатам X и У) ступенчатообразной АФН-пленки с постепенным увеличением толщины ступенек по оси X, с продолжением увеличения на каждой следующей ступеньке по оси У или наоборот.

Для получения пленок различной толщины используется вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере вакуум достигает порядка 10-4.. ,10-5 мм рт. ст., температура подложки 310...480°С, подложку располагают под углом 45° к направлению молекулярного пучка.

В качестве подложек используется стекло толщиной 2 мм Подготовленные подложки помещаются в специальный держатель и на поверхность подложки устанавливается двухстворчатая маска из изоляционного материала (гетинакс). В рабочую камеру устанавливаются идентичные микроэлектродвигатели (2 об/мин), для открытия или закрытия поверхности подложки путем взаимно перпендикулярного перемещения соответствующих шторок. Открытие поверхности подложки осуществляется электродвигателями при помощи лёгких термостойких тросиков, связанных со шторками. Вращением двигателей постепенно открывается поверхность подложки. Плёнки, полученные на

л

подложке с размером 20*20 мм , двумерно ступенчатообразны по осям X и У. Толщина каждой ступеньки определяется при помощи интерференционного микроскопа МИ-4.

На рис. 1 приведены изображения АФН-плёнки. Падающий поток света Ф0 генерирует фотонапряжение АФН. При перемещении позиции монохроматического излучения от ступеньки с толщиной пленки 1 мкм до

ступеньки с толщиной пленки 2,5 мкм, пропорционально уменьшается генерируемое фотонапряжение КАФН.

А-А

з —

Рис. 1. Двумерная ступенчатообразная фоточувствительная АФН-пленка:

1 - двумерный ступенчатообразный фоточувствительный слой из кристаллического теллурида кадмия; 2 - стеклянная подложка; 3 -металлические контакты; Ф0 - поток падающего направленного монохроматического излучения

Применение технологий и конструктивных решений, предложенных нами работе [6], при изготовлении двумерно координатно-чувствительного ПОИ позволяет получить эффективные характеристики последнего.

В данной работе изложена методика и приведены результаты экспериментального исследования получения эффективного координатночувствительного ПОИ из полупроводниковых соединений в виде ступенчатообразной АФН-пленкн с постепенным увеличением толщины ступенек, начиная с «1 мкм.

Для получения пленок различной толщины использована вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере вакуум достигал порядка 10-4 - 10-5 мм.рт.ст., температура подложки 310 - 480°С, подложку располагают под углом 45° к направлению молекулярного пучка.

В качестве подложек использовалось стекло толщиной 2 мм. Подготовленные подложки помещались в специальный держатель и на поверхность подложки устанавливалась маска из изоляционного материала (гетинакс). В рабочую камеру устанавливался микроэлектродвигатель 2 об/мин, для открытия или закрытия поверхности подложки. Открытие поверхности подложки осуществляется электродвигателем при помощи лёгкого термического шнурка, связанного с маской. При вращении двигателя постепенно открывается поверхность подложки. Плёнки, полученные на подложке с размером 2х20 мм2, ступенчатообразны. Толщина каждой ступени определялась при помощи интерференционного микроскопа МИ-4.

В координатно-чувствительных фотогенераторах на основе пленок теллурида кадмия можно разработать двумерно координатно-чувствительный

автономный приёмник оптического излучения. Входной сигнал содержит информацию о направлении и величине смещения излучающего объекта. На основании ступенчато-образного полученного АФН-плёнку по способу получения координатно-чувствительного фотогенератора, изготовлен координатно-чувствительный автономный приёмник оптического излучения.

Основные параметры двумерно координатно-чувствительного ПОИ на основе АФН-пленки из CdTe:

Чувствительность, В/мм, при освещенности 10 лк 2-5 Внутреннее сопротивление, Ом 1012-1014

Постоянная времени, с 0,8-1,0

Спектр излучения, мкм 0,5-0,83

Чувствительная область, мм 2*15

Габариты, мм 2*20*20

Масса, г, не более 3,0

Данный прибор можно использовать в качестве автономного ПОИ для определения координат источника светового излучения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рахимов Н.Р., Серьёзнов А.Н. АФН-пленки и их применение / монография. -Новосибирск: СибНИА, 2005. - 64 с.

2. Рахимов Н.Р., Мамадалиева Л.К. // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 8. С. 53-56.

3. Рахимов Н.Р., Касымахунова А.М., Усманов Ш.Ю. Способ получения фотогенераторов / Патент РУз 1АР 02610 от 25.02.2003 г.

4. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроники / Под ред. Э.И. Адировича // Ташкент. «ФАН». 1972. С. 177.

5. Пат. 2246779 РФ. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения / Н.Р. Рахимов; А.Н. Серьезнов // Б.И. 2005. №2.

6. Пат. №2005113383\28(015413) от 18.01.09. РФ. Двумерный координатночувствительный приемник оптического излучения / Н.Р. Рахимов; А.Н. Серьезнов; М.П. Петров // Б.И. 2009. № 2.

© Н.Р. Рахимов, О.К.Ушаков, Б.Н.Рахимов, 2010