устройство для измерения интенсивности оптического излучения
Классы МПК: | G01R21/12 в цепях с распределенными параметрами |
Автор(ы): | Чупис В.Н., Иванов С.В. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете, Саратовский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-03-05 публикация патента:
10.01.1999 |
Устройство для измерения интенсивности оптического излучения содержит фоточувствительный полупроводниковый элемент, СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны и магнит, причем фоточувствительный полупроводниковый элемент помещен между полюсами магнита. Технический результат заключается в повышении чувствительности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Устройство для измерения интенсивности оптического излучения, содержащее фоточувствительный полупроводниковый элемент и СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны, отличающийся тем, что в него введен магнит, причем фоточувствительный полупроводниковый элемент помещен между его полюсами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны и фоточувствительный полупроводниковый элемент выполнены с соблюдением соотношения![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-7t.gif)
где
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124022/949.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-8t.gif)
где
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124022/949.gif)
m* - эффективная масса носителей в полупроводниковом материале;
e - заряд электрона;
n - концентрация фотовозбужденных электронов.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике измерения временных, энергетических характеристик импульсов оптического излучения и может быть использовано в оптических системах приема, передачи, обработки информации, а также в компьютерах нового поколения. Известен измеритель мощности ИК-излучения, который выполнен на основе дырочного полупроводника с ионизированными примесными центрами, энергетические контакты которого расположены на боковой поверхности, а приемная площадка выполнена перпендикулярно оси в полупроводниковом кристалле [Авторское свидетельство СССР N 475907, МКИ H 01 L 31/14]. Однако указанный измеритель имеет основное и принципиально неустранимое ограничение по чувствительности и быстродействию, связанное с малой подвижностью ионизированных носителей. Создание больших тянущих полей в данном случае не решает проблему, поскольку при этом резко возрастают генерационно-рекомбинационные шумы и нагрев полупроводникового элемента. Другой характерный недостаток этого принципа измерения связан с ограничением чувствительности полупроводниковых фотоприемников рекомбинационными процессами - вследствие этого не все возбужденные (в зону проводимости) электроны проходят путь от "катода" к "аноду", значительная часть их рекомбинирует, что, естественно, снижает чувствительность и точность метода. Известно также фотосопротивление, которое выполнено из полупроводника с шириной запрещенной зоны более чем в два раза, превышающей энергию кванта излучения, а именно из дырочного германия, легированного элементами III группы, например Ga, In, с концентрацией свободных носителей в диапазоне 1014- 2![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124002/183.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-2t.gif)
где
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124022/949.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
фиг. 1 - общая структурная схема устройства для измерения интенсивности оптического излучения;
фиг. 2 - график модуля коэффициента отражения СВЧ-волны от фоточувствительного полупроводникового элемента в зависимости от частоты СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны,
фиг.3 - вариант конструкции устройства для измерения интенсивности оптического излучения,
где на фиг. 1, 3:
1 - опорное плечо;
2 - измерительное плечо;
3 - плечо, в которое включен детектор 5;
4 - плечо, в которое включен СВЧ-генератор 6;
5 - СВЧ-детектор;
6 - СВЧ-генератор;
7 - фоточувствительный полупроводниковый элемент;
8 - магнит. Основой заявляемого устройства для измерения интенсивности оптического излучения является СВЧ-измеритель для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны, включающий в себя волноводное мостовое соединение, позволяющее сравнивать фазы волн, прошедших измерительное и опорное плечи. Устройство для измерения интенсивности оптического излучения (фиг. 1) представляет собой четырехплечевое волноводное соединение, выполненное или с помощью двух ответвителей, или с двойным тройником. Электромагнитная волна от генератора, подключенного к плечу 4, поступает в плечи 1 и 2, опорное и измерительное. Частота СВЧ-генератора выбрана исходя из соотношения
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-3t.gif)
где
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124022/949.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124007/969.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-4t.gif)
где
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124022/949.gif)
m* - эффективная масса носителей в полупроводниковом материале;
e - заряд электрона;
n - концентрация фотовозбужденных электронов. Выбор такой частоты СВЧ-измерителя для измерения отраженной от фоточувствительного полупроводникового элемента СВЧ-волны (или СВЧ-генератора, входящего в состав измерителя) обусловлен эффектом плазменного резонанса. Известно, что важнейший параметр полупроводниковых измерителей - чувствительность зависит в основном от отношения концентрации фотовозбужденных носителей к темновой концентрации. Существенно понизить темновую концентрацию в большинстве полупроводниковых материалов технологически сложно, а в узкозонных полупроводниках типа InSb, InAs и др. практически невозможно из-за теплового возбуждения электронов в зоне проводимости. По этой причине узкозонные фотоприемники в инфракрасной области спектра работают, как правило, при температуре жидкого азота (77 K) и более низких температурах. Предлагаемый принцип измерений позволяет решить эту проблему путем облучения фотовозбужденного полупроводника СВЧ-полем на частотах в области плазменного резонанса. На фиг.2 приведена зависимость коэффициента отражения СВЧ-излучения от полупроводника. Видно, что в области плазменного резонанса (участок кривой AB) зависимость
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-5t.gif)
![устройство для измерения интенсивности оптического излучения, патент № 2124733](/images/patents/347/2124733/2124733-6t.gif)