Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники (стр. 2 из 3)

Исходные данные для математического моделирования:

q = 1,6∙10^-19 Кл,

= 6,5 м²/В∙с, =0,07 м²/В∙с, с = 3 ∙10⁸ м/с, k_b= 1,38 ∙10^-23 Дж ∙ К^-1, Т = 300 К, =10^-3 с, = 1, = 10³ см^-1, = 5,55∙10^-7 м.

I_ФМЭ,

А

H, A/м

Рис. 2. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при малой скорости поверхностной рекомбинации при различной интенсивности света J, фотонов/м²∙с: J₁ = 10¹⁷, J₂ = 2∙10¹⁷,

J₃ = 3∙10¹⁷ .

Из графика видно, что при

ток практически не увеличивается. Однако для выполнения данного условия необходимо создать большую напряженность магнитного поля – порядка 10⁸ А/м, что не всегда выполнимо. Детектирование тока короткого замыкания ФМЭ можно проводить и при гораздо меньших напряженностях магнитного поля – 500…1000 А/м. При этом ток короткого замыкания изменяется в пределах 2…10 мкА. Такой режим более благоприятен для использования в приборах функциональной электроники.

I_ФМЭ, А

Н, А/м

Рис. 3. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при малой скорости поверхностной рекомбинации, J = 10¹⁷ фотонов/м²∙с.

I_ФМЭ, А

Н, А/м

Рис. 4. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при большой скорости поверхностной рекомбинации при различной интенсивности света J, фотонов/м²∙с: J₁ = 10¹⁷, J₂ = 2∙10¹⁷,

J₃ = 3∙10¹⁷ .

При сильной поверхностной рекомбинации фотоэлектромагнитный ток оказывается меньше по величине:

(7)

В случае большой поверхностной рекомбинации ток ФМЭ сначала растет пропорционально магнитному полю, достигает максимума при

и убывает обратно пропорционально Н в сильных магнитных полях. При малой поверхностной рекомбинации ток ФМЭ стремится к насыщению.

Зависимость эффекта от интенсивности света более проста, чем зависимость от напряженности магнитного поля. Ток ФМЭ пропорционален освещенности как при слабом, так и при сильном фотосигнале:

(8)

(9)

Однако в случае слабой и сильной освещенности отличаются такие параметры, как эффективная диффузионная длина и др., поэтому наклон прямой I_ФМЭ(J) различен при слабой и сильной освещенности.

В толстом образце по мере уменьшения коэффициента поглощения

генерация становится все более равномерной по глубине, поверхностная концентрация носителей уменьшается и ФМЭ убывает согласно формуле:

(10)

3. Оценка перспектив использования фотоэлектромагнитного эффекта в устройствах функциональной электроники

Современная твердотельная электроника, являясь основным средством обработки информации, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники, или микроэлектроники, и функциональной электроники. Основные тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем. Развитие интегральных схем идет в направлении освоения субнаносекундных времен срабатывания и субмикронных размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. В основе функциональной электроники лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определённую функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твёрдом теле. В этом случае локальному объёму твёрдого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется. Основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определённых функций.

Фотоэлектромагнитный эффект нашел основное применение в фотомагнитных детекторах (приемниках электромагнитного излучения), а именно, в приемниках инфракрасного излучения и фотомагнитных магнитометрах.

Основным элементом фотомагнитного приемника электромагнитного излучения с длиной волны 5—7 мкм является пластинка сурьмянистого индия. Выбор InSb как материала для фотомагнитного инфракрасного приемника обусловлен малой шириной запрещенной зоны этого полупроводника (0,18 эв при комнатной температуре), дающей возможность наблюдать собственный фотоэффект в указанной спектральной области, высокой подвижностью носителей, способствующей увеличению чувствительности прибора, и малым временем жизни, делающим прибор быстродействующим.

Фотомагнитный ИК приемник из InSb успешно применяется в научных исследованиях, промышленности. Он обладает высокой пороговой чувствительностью, не требует охлаждения и электрического питания, имеет малые размеры. Малая постоянная времени прибора позволяет применять прибор в ИК. спектроскопии быстродействующих процессов. Фотомагнитный приемник может использоваться для контроля химических реакции, в оборудовании ракет, обладающих высокими скоростями, и т. п. Прибор полезен в основном для работы при комнатных температурах, при низких же температурах, порядка азотных (77° К), характеристики фотомагнитного приемника уступают характеристикам ИК приемников, действие которых основано на фотопроводимости и фотовольтаическом эффекте. Меньшее практическое значение имеет фотомагнитный ИХ приемник из InAs.

Важнейшей характеристикой ИК приемника является порог чувствительности. Порог чувствительности (эквивалентный шум) измеряемый в ваттах, определяет минимальный фотосигнал, который можно зарегистрировать прибором, и равен мощности излучения, требуемой для того, чтобы фотомагнитный сигнал сравнялся со среднеквадратичным напряжением шумов, отнесенным к единичной полосе пропускания усилителя. Сравнение порога чувствительности ИК приемников из InSb трех основных типов показывает, что при комнатной температуре все они почти одинаково чувствительны (см. таблицу 1). Низкое сопротивление р-п переходов из InSb делает невозможным их использование при комнатной температуре. В фотомагнитных элементах используются кристаллы значительно большей толщины, чем в фотосопротивлениях. Это технологическое преимущество компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования магнитов. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников различных типов с площадкой 1×1 мм² приведены в таблице:

Таблица 1. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников.

Материал	Характеристики ИК приемников
	На ФМЭ	На ФП	На p-n переходе
InSb	1∙10-10 вт 20 Ом	0,9∙10-10 вт 60 Ом	1∙10-10 вт 0,15 Ом
InAs	3∙10-11 вт 20 Ом	0,5∙10-11 вт 70 Ом	0,6∙10-11 вт 60 Ом
PbS	4∙10-9 вт 200 Ом	5∙10-11 вт 500 Ом	0,9∙10-11 вт 100 Ом

Чувствительность прибора в различных частях спектра описывается спектральной характеристикой. Спектральная чувствительность детектора из InSb иллюстрируется рис. 4. Длинноволновая граница характеристики равна 7,4 мк. При длинах воли выше этой величины энергии фотона слишком мала для генерации неосновных носителей. При меньших длинах волн чувствительность быстро растет, пока коэффициент поглощения не станет значительно меньше обратной толщины пластинки. Максимальная чувствительность прибора достигается при длине волны порядка 6 мкм.

Рис. 5. Спектральная чувствительность фотомагнитного приемника на InSb.

Для измерения же магнитного поля может быть применен фотомагнитный магнитометр. Этот прибор, как и приемник ИК излучения, не требует приложения внешнего электрического поля, имеет очень простое устройство и малые размеры, обладает малой инерционностью. Для измерения напряженности магнитного поля в фотомагнитных магнитометрах в основном используется ФМЭ в p-n переходе. Быстрое насыщение с ростом освещенности, слабая зависимость от температуры, пропорциональность магнитному полю делают этот эффект весьма удобным для использования в магнитометре.