WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 9 Структуры полупроводник-диэлектрик в фотомишенях видиконов, чувствительных в средней инфракрасной области спектра ¶ © Н.Ф. Ковтонюк, В.П. Мисник, А.В. Соколов Федеральное государственное унитарное предприятие „Центральный научно-исследовательский институт «Комета»“, 115280 Москва, Россия (Получена 1 ноября 2004 г. Принята к печати 17 декабря 2004 г.) Рассмотрена кинетика электронных процессов в фотомишенях видиконов на основе структур полупроводник-диэлектрик из узкозонных полупроводников с учетом стекания заряда в слое диэлектрика и релаксации неравновесной обедненной области в полупроводниковом слое. Приведена оценка времени накопления, пороговой чувствительности, разрешающей способности фотомишеней при различных уровнях входного излучения.

Для расширения области спектральной чувствитель- Распределение поля, заряда и напряжения в слоях ности видиконов в длинноволновую область (напри- структуры описывается уравнениями [4]:

мер, в область 2.5-5.5мкм) предложено [1,2] испольiEi = 4en0L + 4eNs - 4 Qi, (1) зовать в качестве фотомишеней структуры полупро Qi водник-диэлектрик (ПД) на основе узкозонных полуU = U0 - = Ui + Us, (2) проводников n-типа, функционирующих в режиме неравC новесного обеднения. Слой диэлектрика должен обла4en0L2 Us =, Ui = EiLi, (3) дать некоторой проводимостью для стекания за время s кадра отрицательного заряда, нанесенного электронным где i, s — диэлектрическая проницаемость слоев дилучом на слой диэлектрика. Величину проводимости диэлектрика и полупроводника, L — толщина обедненного электрика выбирают из условия соизмеримости времен слоя, Li — толщина слоя диэлектрика, Ns — плотность стекания заряда электронов со временем накопления свободных носителей заряда (дырок), накапливаемых кадра.

на границе полупроводник-диэлектрик, Qi —поверхТакая фотомишень представляет собой гетерострукту- ностная плотность заряда электронов, стекающего через ру из широкозонного и узкозонного полупроводников, слой диэлектрика, U — напряжение, возникающее на и понятие „слой диэлектрика“ в дальнейшем следует фотомишени относительно сигнальной пластины при рассматривать как чисто терминологическое. наличии заряда на поверхности слоя диэлектрика, Us, Ui — напряжения на слое полупроводника и диэлектриЭнергетическая диаграмма МДП структуры в раска, U0 — начальное напряжение на фотомишени, n0 — сматриваемой фотомишени подробно рассмотрена в [3].

концентрация ионизованных примесей в полупроводниПри наличии входного изображения во время сущеке, Ei — напряженность электрического поля в слое ствования обедненной области в освещенных участках диэлектрика, C — емкость фотомишени. Так как Li L, формируется зарядовый рельеф изображения. Этот реCsCi s S то C = Cs =, где Cs, Ci — емкости слоев льеф сохраняется до тех пор, пока толщина обедненной Cs +Ci 4L области из-за термогенерации не станет равной нулю.

полупроводника и диэлектрика.

При повторном сканировании фотомишени электронПодставляя в уравнение (2) значения Ui и Us ным лучом за время существования зарядового рельефа из (1), (3), получим на сопротивлении нагрузки возникает видеосигнал.

Qi Li 4n0L2e Рассмотрим кинетику электронных процессов в U0 - = (4en0L + 4eNs - 4 Qs ) +.

C i s фотомишенях, в которых в качестве фоточувстви(4) тельного слоя используется узкозонный примесДифференцируя (4) по времени и учитывая, что ный полупроводник с шириной запрещенной зоны dNs d Qi Eg = 0.2-0.4 эВ и концентрацией свободных электро= GT L, = i Ei, уравнение (4) представим в dt dt нов n0 = 1014-1015 см-3. Возможная толщина обедненвиде ного слоя, возникающая на некоторое время в таком d Qi Li dL полупроводнике под действием напряжения, создавае- = 4en0 + 4eGT L - 4i Ei dt C i dt мого нанесенным на диэлектрик зарядом, составляет величину L 10 мкм. Необходимо определить время 8en0L dL +, (5) накопления фотомишени с учетом тока утечки в диs dt электрике.

где GT — скорость термогенерации свободных носите¶ E-mail: ruslokum@mtu-net.ru лей в полупроводнике, i — удельная электропровод1130 Н.Ф. Ковтонюк, В.П. Мисник, А.В. Соколов ность слоя диэлектрика i = eµni, µ — подвижность Используя формулу (12), приведем оценки времезарядов в диэлектрике, ni — их концентрация. ни накопления. В структурах из узкозонных полуДля упрощения решения уравнения (5) будем считать, проводников (антимонид индия, арсенид индия) скочто ток в слое диэлектрика со временем не изменяется, рость термогенерации GT 1018-1020 см-3 с-1 [4], так как при сильных полях > 103 В/см в диэлектриках и L0 = 10-3 см, Li = 10-5 см, s s 10, концентрация полупроводниках дрейфовая скорость электронов дости- примесей n0 1014-1015 см-3. Подставляя эти значения гает насыщения. Напряжение на диэлектрике меняется в формулу (2) получаем, что время накопления мов пределах 0.1-10 В при Li 10-5 см, и, следовательно, жет изменяться в пределах 10-1-10-3 с. Измеренные напряженность поля Ei 104-106 В/см, и такое предпо- в экспериментах времена накопления при температуложение вполне справедливо. ре 80 K в фотомишенях из арсенида индия составляют Qi d 60 мс [2], а в МДП структурах из антимонида индия Для нахождения в (5) значения члена восdt C время накопления составляет около 1 мс [4].

пользуемся следующими представлениями. В обедненПри воздействии изображения на фотомишень, на дином слое полупроводника термогенерация доминирует электрический слой которой нанесен заряд электронов, над рекомбинацией и возникает поток дырок, которые в более освещенных участках накапливается больший накапливаются на границе раздела.

заряд дырок, чем в слабо освещенных, и соответственно При накоплении слоя дырок с плотностью Ns толщитолщина обедненной области уменьшается на большую на обедненной области уменьшается на L, и изменение величину. При этом накапливаемая поверхностная плотповерхностной плотности заряда составляет величину ность заряда равна Qi = en0 L = en0(L0 - L), (6) e Ns = eGPL0tint, (13) где L0 — начальная толщина обедненной области.

где GP — интегральная скорость фотогенерации.

Сучетом(6) при L Li первый член в уравнении (5) При повторном прохождении электронного луча в теможно представить в виде чение времени e идет подзарядка освещенного элемента на величину d Qi d 4en0(L0 - L)L = en L = e Ns jSe (14) dt C dt s и на сопротивлении нагрузки R формируется ток сигнала 4en0L0 dL 8en0L dL = -. (7) с плотностью jS.

s dt s dt Так как величины заряда Ns в формулах (13) и (14) одинаковы, значение сигнальной плотности тока опреде Qi d d Используя значения и Qi, уравнение (5) ляется характерным для накопительных фотоприемниdt C dt преобразуем к виду ков выражением tint en0L0i dL jS = eGPL0. (15) - + en0 = eGT L - iEi. (8) e Li s dt Максимальный ток сигнала, который можно полуРешение уравнения (8) имеет вид чить с каждого элемента видикона, ограничивается eGT L - iEi G максимальным током, получаемым от электронного луln = -t. (9) iLча (1-5мкА) [3].

eGT L0 - i Ei n0 s Li + Приведем оценку пороговой чувствительности и обнаружительной способности видиконов. Пороговая чувПри L0 L из формулы (9) получаем зависимость ствительность определяется величиной мощности входного излучения Pi, при которой сигнал фототока равен i Ei iEi t s Li шумовому сигналу. Если ток электронного луча 1 мкА, L(t) = + L0 + exp -. (10) eG eG T iLа полоса измеряемых частот f = 106 Гц, то ток шума IN 10-9 А.

Если i Ei eGT L и iEi eGT L0, то из (10) следует Сравнивая шумовой ток с током видеосигнала, определяемого формулой (15), и учитывая, что скорость t s Li L(t) =L0 exp -, (11) фотогенерации Gt пороговой мощностью Pt в одном элеT iLPt менте Gt =, выражение для вычисления пороговой hSe и время накопления фотомишени можно оценить по чувствительности принимает вид формуле iL0 n0 iL0 h e tint = T =. (12) Pt = IN. (16) sLi GT s Li e tint Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Структуры полупроводник-диэлектрик в фотомишенях видиконов... Варьируя величины переменных в разумных обеднением полупроводника позволяет расширить обпределах в соответствии с экспериментальными ласть спектральной чувствительности видиконов в средданными (Ie = 10-5-10-6 А, e = 10-6-10-7 с, tint = нюю инфракрасную область (2.5-5.5мкм). Вфотомише= 10-3-10-2 с, = 0.2-0.7, h = 0.36 эВ для InAs), нях из узкозонных полупроводников c Eg = 0.2-0.4эВ из формулы (16) получаем, что величины пороговой время накопления фотомишени при температуре жидкомощности Pt и пороговой плотности мощности It го азота может составлять 1-100 мс, что дает возможмогут изменяться в следующих пределах: Pt = ность построения ИК-видиконов с пороговой чувстви= 10-13-10-14 Вт/элемент и It = 5 · 10-8-10-7 Вт/см2 тельностью 5 · 10-8-10-7 Вт/см2 и обнаружительной (площадь элемента Se = 6 · 10-6-10-5 см2). способностью 1013 см Гц /Вт.

Экспериментальные значения пороговой чувствительности, полученные на образцах видиконов с фотомиСписок литературы шенями на основе арсенида индия при температуре T = 85 K, составляют (0.5-5) · 10-13 Вт/элемент, что [1] Н.Ф. Ковтонюк. ЖПС, 26 (1), 162 (1977).

соответствует расчетным значениям.

[2] Н.Ф. Ковтонюк, В.П. Мисник. РЭ, 47 (9), 1145 (2002).

Для вычисления удельной обнаружительной способ[3] Справочник по инфракрасной технике, под ред. У. Волф, ности D воспользуемся известной формулой [3] Г. Циссис (М., Мир, 1999) т. 3.

[4] Н.Ф. Ковтонюк, Г.Н. Савков, Л.И. Ванина. ФТП, 9 (6), Se f (1975).

D =, (17) NEP Редактор Л.В. Беляков где NEP — мощность, эквивалентная шуму.

В нашем случае NEP = Pi 10-13-10-14 Вт/элемент, The semiconductor-dielectric structures Se = 6 · 10-6-10-5 см2, f 106 Гц. При этом из форin phototargets of vidicons sensitive мулы (17) удельная обнаружительная способность равна in the middle infrared spectrum region 1013 см · Гц1/2· Вт-1.

При малых уровнях освещенности входных изобраN.P. Kovtonyuk, V.P. Misnik, A.V. Sokolov жений разрешающая способность структур полупроFederal State Unitary Enterprise водник-диэлектрик может достигать сотен линий на Research Institute Cometa“, миллиметр. Это связано с тем, что достаточно сильное ” 115280 Moscow, Russia поле за малое время отводит фотоносители к границе раздела и препятствует их диффузии в поперечном

Abstract

The kinetics of electron processes in the vidicons’ phoнаправлении. В таких условиях разрешающая способtotargets based on semiconductor-insulator structures of narrowность фотомишеней ограничивается в основном диаgap semiconductors in view of charge draining in the insulator метром электронного луча опроса (15-30 мкм). При layer and nonequilibrium depletion region in the semiconductor высоких уровнях освещенностей входных изображений, layer is considered. Integration time, threshold sensitivity and когда толщина обедненной области уменьшается до нуля phototarget resolution for different levels of input radiation are (потенциальная яма полностью заполняется), возможно estimated.

растекание фотоносителей в поперечном направлении за счет биполярной диффузии.

Фоновое излучение приводит не только к увеличению шумов, но и к переполнению потенциальной ямы обедненной области. Максимальный шум видикона определяется дробовым шумом электронного луча, который составляет величину 10-9 А/элемент. Возможность накопления в потенциальной яме ограничивается плотностью нанесенного заряда, составляющей 1012 е/см2.

Если фоновая и тепловая генерация за время накопления создают такую же плотность дырок, то теряется возможность регистрации слабого сигнала входного изображения. Для того чтобы можно было зарегистрировать сигнальное излучение, необходима ситуация, когда фоновая и тепловая генерации не полностью заполняют потенциальную яму, а, например, только наполовину.

Для этого необходимо, чтобы генерация сигналом была соизмерима с генерацией фоном и теплом или составляла бы несколько десятых от суммарной генерации.

Применение в фотомишенях видиконов двухслойных структур полупроводник-диэлектрик с неравновесным Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.