ENGINEERING AND IT

UDC 621.393.3: 621.382: 621.385

DOI 10.36074/2663-4139.04.08

УРМОНОВ С.Р.

ассистент кафедры «ЭЭЭ» 

Ферганский политехнический институт 

ЙУЛДАШЕВ Х.Т.

д-р. фил. (PhD) ф-м. наук, доцент

 Ферганский политехнический институт

РЕСПУБЛИКА УЗБЕКИСТАН

Введение. Среди многочисленных методов регистрации инфракрасных излучений перспективным остаётся полупроводниковая фотографическая система [1ч3]. В этих системах фотографические процессы основаны на внутреннем фотоэффекте. Образованные неравновесные носители движутся во внешних и внутренних электрических полях.

Между прозрачным омическим контактом, изготовленным на входной поверхности полупроводникового фотоприемника, и контрпрозрачным контактом, нанесённым на поверхность стекла, прикладывается напряжение электрического поля. Полупроводниковый фотоприемник и контрэлектрода отделён друг от друга газовым зазором на расстоянии 20ч40 мкм. При определённых величинах электрического поля, зависящего от давления газа и расстояния между контактами, происходит пробой и газ начинает светится. В дальнейшем интенсивность свечения зависит от приложенного напряжения и интенсивности падающего излучения на поверхность фотоприемника. Таким образом преобразованное инфракрасное изображение объекта в ультрафиолетовое и видимое излучение наблюдается глазом или фиксируется на фотопленку обычным фотоаппаратом.

Проведены теоретические расчеты для определения области существования изображений конкретно для этого фотоприемника. Теоретически и экспериментально изучены температурные зависимости предельной регистрируемой камерой плотности тока, ватт-амперные характеристики, зависимости пороговой регистрируемой мощности излучения от положения уровня Ферми и длины волны излучения, характеристические зависимости фотографического процесса, а также спектральные характеристики фототока в газоразрядной ячейке ПФИК.

II.Условия существования изображений

Для получения изображений на выходе ПИК необходимо выполнения следующих условий [4]:   

             (1)

   (2)

где  - минимальная регистрируемая кратность фотоотклика, - и  - плотности, соответственно, темнового и светового токов, - пороговая плотность тока, фиксируемая регистрирующим узлом или глазом.

При монополярной примесной фотопроводимости в случае типа проводимости условия (1), (2) имеют следующий вид:

,                           (3)

,   (4)

где e - заряд электрона, pT и pC - концентрация, соответственно, равновесных и неравновесных носителей, µ - подвижность дырок в зоне, EMAX предельная допустимая   напряженность электрического поля, которая в  условиях монополярной инжекции записывается в виде 

Предельная регистрируемая системой мощность излучения   может быть рассчитана по формуле [5]:

где

ɛ - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, ɛ₀ - электрическая постоянная; ∆E_g - ширина запрещенной зоны полупроводника; N_D - концентрация примеси; ∆E_D - энергия ионизации примеси; P_V - плотность состояний в валентной зоне полупроводника; g - коэффициент рекомбинации; q - сечение фотоионизации примеси; L - толщина фотоприемника.

В координатах JПР(pT) из формулы (6) следует зависимость пороговой регистрируемой мощности излучения от уровня Ферми для данной глубины примесного уровня, а в координатах JПР(T) - зависимость пороговой регистрируемой мощности излучения от температуры.

Экспериментальные результаты. На рис.2 приведены зависимости пороговой регистрируемой мощности излучения от положения уровня Ферми при различных пороговых значениях величины регистрируемого тока, рассчитанные по формуле (6).

Рис. 2. Зависимость пороговой регистрируемой мощности излучения от концентрации темновых носителей (положения уровня Ферми) при двух разных значениях предельной регистрируемой плотности тока jmin. jmin равно:
1 – 10-5А/см2,  1 – 10-7А/см2.

Видно, что зависимость Jпр (рт) имеет сложный характер. На участке А неравенство (2) заведомо выполняется. Когда уровень Ферми значительно ниже эмиторного уровня, время жизни мало и Jпр стремится к бесконечности. Далее, уровень Ферми, поднимаясь, пересекает эмиторный уровень и поднимается выше его, что сопровождается возрастанием времени жизни. При этом Jпр уменьшается по мере уменьшения pт  В участках В, С, D, Е неравенство (1) всегда выполняется, и основным фактором существования входного изображения является достижение полной плотности тока jс + jT = jпр.  В указанной области Jпр немонотонно изменяется с рт. Можно заметить, что на участке В Jпр увеличивается по мере уменьшения рт, как следствие уменьшения предельного значения электрического поля Eмах (5). При этом предельное значение электрического поля Eмах и, следовательно, ток системы настолько малы, что для обеспечения указанных величин предельного тока, в нашем случае Jпр1, Jпр2, Jпр3 и Jпр4 необходимо увеличение концентрации фотоэлектронов. На участке С J„p уменьшается по мере уменьшения pт вследствие увеличения Eмах. На участке D реализуется случай малого равновесного заполнения уровня (ND>>m), время жизни τ-постоянно и Jпр не зависит от р,-. На участке Е происходит возрастание Jпр, связанное с увеличением рт (концентрации фотоносителей) для достижения регистрации требуемого минимального тока jпр. Далее, при очень малых значениях рт равновесное заполнение эмиторного уровня настолько высоко, что ни при каком значении интенсивности излучения не может быть достигнута концентрация pT + pc  Eмах и Jпр ᵞ jпр / eµ уходит в бесконечность.

На рис.З, а приведены зависимости пороговой регистрируемой мощности излучения от температуры, рассчитанные также по формуле (6) для разных значений минимального регистрируемого тока jпр. Характерным является наличие пологого участка практической независимости Jпр от температуры. Это весьма важное обстоятельство, определяющее надежность и стабильность функционирования преобразователя (камеры) в области пороговых характеристик. В настоящей работе было предпринято экспериментальное исследование зависимости порога чувствительности фотографической камеры от температуры, в частности, с целью экспериментальной проверки и уточнения изложенной выше теории. Результаты опыта приведены на рис.3,б. В целом полученная кривая находится в качественном согласии с теоретической. Действительно, уменьшение Jпр с уменьшением температуры до Т=110К сменяется значительно более медленным уменьшением Jпр при дальнейшем снижении температуры. Полученный результат в совокупности с количественными оценками порога является существенным экспериментальным подтверждением проделанных теоретических расчетов.

Рис. 3,а. Температурные (теоретические) зависимости пороговой регистрируемой мощности излучения при разных значениях предельной регистрируемой плотности тока  jпр: 1-10-9 А/см2; 2-10-7; 3-10-7; 3-10-5; 4-10-3; 5-10-1 А/см2, рт=1010 см-3.

Рис.3,б. Температурная  (экспериментальная)  зависимость пороговой регистрируемой мощности ИК излучения в фотографической камере с фотоприемником р-Si(Pt) при Т=100 К.

Ватт-амперные зависимости фотографической камеры снимались в трех участках спектральной области чувствительности при Т=100К и приведены на рис. 4,а.

Зависимость имеет широкий диапазон линейности и допускает фотографическую регистрацию изображения при пороговой регистрируемой мощности излучения до 10-7 Вт/см2 за время экспонирования в интервале 1ч2·10-3 с. Фотографическая чувствительность исследовалась в режиме прохождения малых фототоков (менее 10'7 А/см2) в газоразрядной ячейке фотографической камеры. В таких условиях фотоприемник предназначен на высокую пороговую чувствительность по мощности регистрируемого излучения [6].

Рис.4,а. Ват-амперные характеристики ПФИК с фотоприемником из р-Si<Pt> для трех разных областей спектрального диапазона длин волн λ. при: Т=100 К 

1 – 1,1ч2,3мкм,  2 – 1,6ч3,4мкм,  1 – 2,6ч4,2мкм 

На рис.4,б приведена спектральная характеристика фототока в диапазоне чувствительности фотоприемного элемента hv=0,3чl,2 эВ (λ=1ч4 мкм). Полученная спектральная характеристика хорошо согласуется с данными авторов работ. В районе hv=0,31 эВ (λ=4 мкм) на длинноволновом краю спектрального диапазона фоточувствительность составляет примерно 8% от максимальной.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

• Хайдаров З., Хайдарова К.З., Йулдашев Х.Т. (2017). Высокочувствительная полупроводниковая ионизационная фотографическая камера для инфракрасного диапазона. Прикладная физика(1), 65-69.

• Йулдашев Х.Т., Хайдаров З., Касымов Ш.С. (2017). Кинетика пробоя в системе "полупроводник — газоразрядный" промежуток. Вестник СПбГУ, 4(1).

• Йулдашев Х.Т., Ахмедов Ш.С., Хайдаров З. (2017). Исследование инфракрасной фотографической системы на основе кремния, легированного платиной. Журнал физики и инженерии поверхности, 2(1), 12-19.

• Лодыгин А.Н., Астров Ю.А., Порцель Л.М. (2015). Динамика таунсендовского разряда в аргоне. ЖТФ, 85(5), 27-31.

• Астров Ю.А., Лодыгин А.Н., Порцель Л.М. (2011). Гексагональные структуры тока в системе “полупроводник-газоразрядный" промежуток. ЖТФ, 81(2), 42-47.

• Лебедева Н.Н., Орбух В.И., Боброва Е.Ю. (2005). О формировании низкоомного состояния газа над поверхностью полупроводникового электрода в предпробойном режиме. AZƏRBAYCAN MİLLİ ELMLƏR AKADEMİYASININ XƏBƏRLƏRİ Fizika-riyaziyyat və texnika elmləri seriyası, fizika və astronomiya(5), 111-115.