Реферат: Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники

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∙10-1 1 вт 20 Ом	0,5∙10-1 1 вт 70 Ом	0,6∙10-1 1 вт 60 Ом
PbS	4∙10-9 вт 200 Ом	5∙10-1 1 вт 500 Ом	0,9∙10-1 1 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.