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 мкмявляется 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.

Чувствительность прибора в различных частях спектра описывается спектральной характеристикой. Спектральнаячувствительность 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-nпереходе. Быстрое насыщение с ростом освещенности, слабая зависимость от температуры, пропорциональность магнитному полю делают этот эффект весьма удобным для использования в магнитометре.

Рис. 6. Многослойная n-p-n система, использующаяся для измерения магнитного поля.

Таком магнитометр может быть скон­струирован в виде полупроводниковой пластинки с боль­шим числом последовательно расположенных p-n пере­ходов (рис. 5).

 Поверхность пластинки, перпендикулярная плоскостям переходов, освещается светом, интен­сивность которого имеет величину порядка интенсив­ности солнечного света. При такой освещенности прибор с типичными параметрами полупроводника находится в состоянии насыщения, и выходной сигнал не зависит от интенсивности света. При этом фотовольтаические эффекты на соседних p-nпереходах взаимно уничтожаются, а фотомагнитные складываются, и ФМЭ наблюдается в чистом виде, а не на фоне первичной фото эдс. Использование многослойной структуры позволяет не только увеличить вольтовую чувствительность прибора, но и снизить порог чувствительности. Прибор прост в эксплуатации, не требует электрического пита­ния, стабилизации и измерения освещенности и монохроматизации света.

    Список использованной литературы

1. Равич Ю. И., «Фотомагнитный эффект в полупроводниках и его применение», 1972.

2. www.informost.ru, «Функциональная электроника»,

Милинкис Б. М., Щука А. А., 2002

3. www.uran.donetsk.ua, Кузнецов А. В, «Функциональная электроника», 2001

4. www.phys.nsu.ru, Кравченко А. Ф., Физические основы информационных технологий, 2002

5. Амброзяк С., «Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов», 1973

6. Устюжанинов В. Н., Фролова Т. Н. «Нестационарные и релаксационные эффекты в полупроводниках», Владимир, 2002

7. Рывкин С. М., «Фотоэлектрические явления в полупроводниках», 1963

8. www.ispu.ru, «Физика твердого тела», Егоров В.Н., 2002