ОСОБЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ОПТИЧЕСКИХ СРЕД ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
ÓÄÊ 535.243:543.42
ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÕ ÌÀÒÅÐÈÀËΠÊÀÊ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÐÅÄ ÄËß ÈÍÔÐÀÊÐÀÑÍÎÉ ÎÁËÀÑÒÈ ÑÏÅÊÒÐÀ
© 2008 ã. Í. È. Àñòàôüåâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; È. Ì. Íåñìåëîâà, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; © 2008 ã. Å. À. Íåñìåëîâ , äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê
ÍÏÎ “Ãîñóäàðñòâåííûé èíñòèòóò ïðèêëàäíîé îïòèêè”, Êàçàíü Å-mail: eugene@mi.ru
Ðàññìîòðåíû îñîáåííîñòè ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðèìåíèòåëüíî ê èõ èñïîëüçîâàíèþ â êà÷åñòâå îïòè÷åñêîé ñðåäû äëÿ èíôðàêðàñíûõ ñèñòåì. Ïîêàçàíî, ÷òî äîñòîâåðíûå ñâåäåíèÿ î âåëè÷èíå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ â èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû èç ñîâîêóïíîñòè ïàðàìåòðîâ: òèïà ïðîâîäèìîñòè, óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, ïîäâèæíîñòè íîñèòåëåé çàðÿäà, øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû.
Êîäû OCIS: 160.0160, 160.4760.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 17.03.2008.
Âîçðàñòàþùàÿ ïîòðåáíîñòü â èíôðàêðàñíûõ (ÈÊ) îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåìàõ ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ ñòèìóëèðóåò ðàçðàáîòêè íîâûõ è ñîâåðøåíñòâîâàíèå óæå èçâåñòíûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ïðîçðà÷íûõ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.  ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëñÿ ðÿä ìàòåðèàëîâ ïîëó÷åííûõ ìåòîäàìè âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ïðåññîâàíèÿ è õèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû îêñèäîâ, ãàëîãåíèäîâ è ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñîåäèíåíèé. Îáøèðíàÿ èíôîðìàöèÿ îá îïòè÷åñêèõ è ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ýòèõ ìàòåðèàëîâ, è òàêæå î øèðîêî èñïîëüçóåìûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ, ãåðìàíèè è êðåìíèè, ïîçâîëÿåò ïðîåêòèðîâùèêàì ñèñòåì âûáðàòü íåîáõîäèìûé ìàòåðèàë äëÿ îïòè÷åñêèõ äåòàëåé. Îäíàêî â ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðå è íîðìàòèâíîé äîêóìåíòàöèè íå âñåãäà îòðàæåíû îñîáåííîñòè ìàòåðèàëà, îïðåäåëÿþùèå óñëîâèÿ åãî îïòèìàëüíîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Ýòî êàñàåòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, ïîëóïðîâîäíèêîâ, ïðîçðà÷íîñòü êîòîðûõ â ÈÊ îáëàñòè çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè ïðèìåñåé, òåìïåðàòóðû è ôîíîâîãî êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.  íàñòîÿùåé ðàáîòå ðàññìîòðåíû íåêîòîðûå îñîáåííîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðèìåíèòåëüíî ê èõ èñïîëüçîâàíèþ â êà÷åñòâå îïòè÷åñêîé ñðåäû äëÿ ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.
Ïðîöåññû ïîãëîùåíèÿ èçëó÷åíèÿ ñëåäóåò êëàññèôèöèðîâàòü ïî òîìó, íà ÷òî íåïîñðåäñòâåííî ðàñõîäóåòñÿ ýíåðãèÿ ïîãëîùåííûõ ôîòîíîâ.  ñëó÷àå ïîãëîùåíèÿ ñâîáîäíûìè íîñèòåëÿìè çàðÿäà ýíåðãèÿ ðàñõîäóåòñÿ íà ñîçäàíèå òîêà âûñîêîé (îïòè÷åñêîé) ÷àñòîòû è, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ïåðåõîäèò â äæîóëåâî òåïëî. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà çà êðàåì îñíîâíîé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ôîðìóëîé Äðóäå [1], êîòîðàÿ çàïèñûâàåòñÿ êàê
( )α = (4πσ0 )/ сnω2τr2 ≡ ( )≡ α = (е3N (P)λ2 )/ πс3nμm2 ,
(1)
ãäå α – êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ, σî – óäåëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü ïðè ïîñòîÿííîì òîêå, n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, ω – êðóãîâàÿ ÷àñòîòà ñâåòîâîé âîëíû, τr – âðåìÿ ðåëàêñàöèè, N è P – êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ è äûðîê, μ è m – èõ ïîäâèæíîñòè è ýôôåêòèâíûå ìàññû ñîîòâåòñòâåííî.
Äëÿ îáðàçöîâ ãåðìàíèÿ ïîìèìî ïîãëîùåíèÿ íà ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíàõ è äûðêàõ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïîãëîùåíèå, îáóñëîâëåííîå ïåðåõîäàìè äûðîê ìåæäó ïîäçîíàìè âàëåíòíîé çîíû. Âñëåäñòâèå ýòèõ ïåðåõîäîâ äûðî÷íàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ âáëèçè äëèíû âîëíû 10 ìêì ïðåâîñõîäèò ýëåêòðîííóþ ñîñòàâëÿþùóþ ïî÷òè â 40 ðàç. Òàêèõ ïåðåõîäîâ â êðåìíèè íå îáíàðóæåíî.
Âûðàçèâ â (1) N ÷åðåç óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ρ äëÿ ïîëóïðîâîäíèêà n-òèïà, ïîëó÷èì
α ~ 1/(ρμ2).
(2)
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî α çàâèñèò îò äâóõ ïåðåìåííûõ, è ñóùåñòâóþùàÿ ïðàêòèêà îòáîðà ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñ ìèíèìàëüíûì α òîëüêî ïî âåëè÷èíå ρ íåêîððåêòíà. Ýòî ìîæåò áûòü îïðàâäàíî òîëüêî äëÿ íåêîìïåíñèðîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ ìàëûì ñîäåðæàíèåì ïðèìåñè, êîãäà ìîæíî ñ÷èòàòü μ = const. Ðåàëüíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ìàòåðèàëû ñîäåðæàò áîëüøîå êîëè÷åñòâî çàêîìïåíñèðîâàííîé ôîíîâîé ïðèìåñè è äëÿ îöåíêè èõ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ íåîáõîäèìî çíàíèå ρ è μ [2].
 ïîëóïðîâîäíèêàõ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû Eg èçìåíÿåòñÿ ñ òåìïåðàòóðîé Ò.  êëàññè÷åñêèõ
90 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ïîëóïðîâîäíèêàõ (ãåðìàíèé, êðåìíèé) Eg óìåíüøàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì Ò.  ïîëóïðîâîäíèêîâûõ òâåðäûõ ðàñòâîðàõ, ñîäåðæàùèõ òÿæåëûå ìåòàëëû, íàïðèìåð, ðòóòü, ñâèíåö, Eg óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ðîñòîì Ò. Òàêèì îáðàçîì, êðàé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ, ò. å. êîðîòêîâîëíîâàÿ ãðàíèöà ïðîïóñêàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé ñðåäû, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ïðè êîòîðîé áóäåò ýêñïëóàòèðîâàòüñÿ ñèñòåìà. Ñ äëèííîâîëíîâîé ñòîðîíû êðàÿ îñíîâíîé ïîëîñû ïîãëîùåíèå îïðåäåëÿåòñÿ òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòüþ êîíöåíòðàöèè ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé [N ~ exp (–Eg/kÒ)] è èõ ïîäâèæíîñòè (μ ~ Òb), ãäå b = ± 3/2 èëè –1/2 â çàâèñèìîñòè îò ìåõàíèçìîâ ðàññåÿíèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà. Íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïîãëîùåíèå, îáóñëîâëåííîå îñîáåííîñòÿìè çîííîé ñòðóêòóðû ïîëóïðîâîäíèêà. Ñîâîêóïíîå äåéñòâèå ðàññìîòðåííûõ ôàêòîðîâ ïðîÿâëÿåòñÿ òàê, ÷òî, íàïðèìåð, îáðàçöû ãåðìàíèÿ ñòàíîâÿòñÿ íåïðîçðà÷íûìè â ÈÊ îáëàñòè ïðè 420 Ê, êðåìíèÿ – ïðè 600 Ê, à ïðîïóñêàíèå ñåëåíèäà öèíêà ïðè íàãðåâå äî 500 Ê óìåíüøàåòñÿ íà 1,5–2,0% [3].
 êîðîòêîâîëíîâîé îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêè èìåþò êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ íà 3–4 ïîðÿäêà áîëüøå, ÷åì çà åå êðàåì. Âñëåäñòâèå ýòîãî îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü â ÈÊ ñèñòåìàõ ïðèìåíÿòü ôèëüòðû, îòðåçàþùèå ôîíîâîå êîðîòêîâîëíîâîå èçëó÷åíèå. Îäíàêî ïðè ïîãëîùåíèè ýòîãî èçëó÷åíèÿ â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå ïîëóïðîâîäíèêà ãåíåðèðóþòñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîííî-äûðî÷íûå ïàðû, èçìåíÿþùèå ïîãëîùåíèå è îòðàæåíèå îáðàçöà â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà. Óâåëè÷åíèå ïîãëîùåíèÿ íà ñâîáîäíûõ íîñèòåëÿõ çàðÿäà ãåðìàíèÿ çàñâåòêîé îò ëàìïû íàêàëèâàíèÿ îáíàðóæåíî â 1956 ã. Ãàððèêîì Í. [4]. Àâòîð óâåðåííî ðåãèñòðèðîâàë èçáûòî÷íûå íîñèòåëè çàðÿäà íà ðàññòîÿíèè 15 ìì îò îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè. Óìåíüøåíèå ïðîïóñêàíèÿ ïî÷òè íà ïîðÿäîê è óâåëè÷åíèå îòðàæåíèÿ â 2–4 ðàçà íà äëèíå âîëíû 10,6 ìêì â çàâèñèìîñòè îò èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîé çàñâåòêè èç îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ â ãåðìàíèè, êðåìíèè è ñåëåíèäå öèíêà íàáëþäàëîñü â ðàáîòå [5].
Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ðàññ÷èòàííûå àâòîðàìè çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ íà äëèíå âîëíû 10 ìêì îò èíòåíñèâíîñòè çàñâåòêè èç ñîáñòâåííîé îáëàñòè äëÿ ãåðìàíèÿ n-òèïà ïðè Ò = = 300 Ê. Âû÷èñëåíèÿ ïðîâîäèëèñü ñ ó÷åòîì ìåæïîäçîííûõ ïåðåõîäîâ äûðîê â âàëåíòíîé çîíå. Êîíöåíòðàöèè èçáûòî÷íûõ ýëåêòðîíîâ ΔN è äûðîê ΔÐ â ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè îïðåäåëÿëàñü, êàê [6]
ΔN = ΔP = (1 – R)αñIτf (s, τ),
(3)
ãäå αñ – ñðåäíèé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ, I – ïëîòíîñòü ôîòîíîâ çàñâåòêè â äèàïàçîíå äëèí âîëí ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ (0–2) ìêì, R – êî-
α, ñì–1 2
3 2
1
10–1 8 6 4
2
10–2 1015
1016
1017
1018
I, ôîòîí ñì–2 ñ–1
Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ n-òèïà íà äëèíå âîëíû 10 ìêì (300 Ê) îò çàñâåòêè èç îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ. 1 – ρ = 38 Îì ñì, s1 = 3000 ñì/ñ, s2 = 0; 2 – ρ = 7 Îì ñì, s1 = 3000 ñì/ñ, s2 = 0, 3 – ρ= 38 Îì ñì, s1 = s2 = 0.
ýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ, τ – âðåìÿ æèçíè íîñèòåëåé
çàðÿäà, f (s, τ) – ôóíêöèÿ, îïðåäåëÿþùàÿ âêëàä ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè. Ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî ΔÐ = ΔN < N è Ð, ðåêîìáèíàöèÿ èäåò â îñíîâíîì ñ ó÷àñòèåì ôîíîíîâ è τ = τp = τn = (CpN)–1. Ñêîðîñòü îáúåìíîé ðåêîìáèíàöèè Cp = 2,5×10–9 cì 3/ñ [7]. Âåëè÷èíà αñ ïðèíèìàëàñü ðàâíîé 102ñì–1, R = 0,36. Çíà÷åíèå ôóíêöèè f (s, τ) îïðåäåëÿëîñü â ïðåäåëàõ äèôôóçèîííîé äëèíû äûðîê L îò îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè ïðè êîýôôèöèåíòå äèôôóçèè 50 ñì2/c. Ñêî-
ðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè íà îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè s1 = 3×103 cì/ñ [8], à ïðè õ = L s2 = 0. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ äëÿ îáðàçöîâ ñ óäåëüíûìè ñî-
ïðîòèâëåíèÿì 7 è 38 Îì ñì ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1. Òàì æå ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü α(I ) äëÿ îáðàçöà ñ ρ = 38 Îì ñì ïðè s1 = s2 = 0 (ðèñ. 1, êðèâàÿ 3). Íà ðèñ. 1 âèäíî, ÷òî âåëè÷èíà α íåëèíåéíî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì èíòåíñèâíîñòè çàñâåòêè. Ðîñò α íà÷èíàåòñÿ ñ ìåíüøèõ ïëîòíîñòåé ôîòîíîâ äëÿ îáðàç-
öà ñ áîëüøèì óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì è ìåíüøåé ñêîðîñòüþ ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè, ïðè÷åì ñêîðîñòü âîçðàñòàíèÿ äëÿ íèçêîîìíîãî îáðàçöà çà-
ìåòíî ìåíüøå, ÷åì äëÿ âûñîêîîìíîãî îáðàçöà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
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Ïðîâåäåííûå îöåíêè ïîêàçàëè, ÷òî ïëîòíîñòü ïîòîêà ôîòîíîâ â äèàïàçîíå äëèí âîëí 0–2 ìêì îò ãëîáàðà ñ Ò = 1573 Ê, èñïîëüçóåìîãî â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ñïåêòðîìåòðàõ òèïà ÈÊÑ-21, íà âõîäíîé ùåëè ìîíîõðîìàòîðà ≥ 5×1016 ôîòîí/(ñì2 ñ). Òàêàÿ çàñâåòêà ìîæåò ïîâëèÿòü íà ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà ìíîãèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.
Áûëè èçó÷åíû ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ãåðìàíèÿ n-òèïà ìàðêè ÃÌÎ (ρ = 23 Îì ñì) òîëùèíîé 1,9 ìì ïðè 300 Ê ñ ôèëüòðàöèåé è áåç ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ. Ôèëüòðàöèÿ îáåñïå÷èâàëàñü ïîëèðîâàííîé ïëàñòèíîé ãåðìàíèÿ. Ñïåêòðû, çàïèñàííûå íà ôóðüå-ñïåêòðîìåòðå Equinax-55 è ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 2 (êðèâûå 1, 2), ñâèäåòåëüñòâóþò î ïîâûøåííîì ïðîïóñêàíèè (τ) ïðè èñïîëüçîâàíèè ôèëüòðà. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì áûëî îïðåäåëåíî ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ãåðìàíèÿ íà äëèíå âîëíû 10 ìêì ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîìåòðà ÈÊÑ-21, à òàêæå ïðè çàìåíå ìîíîõðîìàòîðà óçêîïîëîñíûì ôèëüòðîì äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîé ðàñôîêóñèðîâêè èçëó÷åíèÿ, êîòîðûé óñòàíàâëèâàëñÿ íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä ôîòîïðèåìíèêîì ÎÀÏ-7. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ñ ôèëüòðîì áûëî íà 0,7–1,2% áîëüøå, ÷åì áåç ôèëüòðà. Âåëè÷èíà α, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ýòîé ðàçíèöå â ïðîïóñêà-
τ, % 90
70 6
4 3
5
50 2 1
30 6
8 10 12 14 16
λ, ìêì
Ðèñ. 2. Ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ãåðìàíèÿ n-òèïà ìàðêè ÃÌÎ ïðè 300 Ê, òîëùèíà 1,9 ìì. 1, 2 – áåç ïðîñâåòëåíèÿ; 3, 4 – ïðîñâåòëåíèå ñ îäíîé ñòîðîíû îáðàçöà; 5, 6 – ïðîñâåòëåíèå ñ îáåèõ ñòîðîí îáðàçöà. 1, 3, 5 – áåç ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ; 2, 4, 6 – ñ ôèëüòðàöèåé êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.
íèè, áëèçêà ê àáñîëþòíîé ïîãðåøíîñòè ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêîãî ìåòîäà èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ [9]. Ïîñêîëüêó ðàçíîñòü â ïðîïóñêàíèè ñ ôèëüòðîì è áåç ôèëüòðà áûëà âñåãäà îäíîçíà÷íîé, âëèÿíèå êîðîòêîâîëíîâîé çàñâåòêè íà ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè íå âûçûâàåò ñîìíåíèé.
Óâåëè÷åíèå ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè èçëó÷åíèÿ íàáëþäàëîñü è äëÿ îáðàçöîâ, íà îäíó ñòîðîíó êîòîðûõ áûëî íàíåñåíî îäíîñëîéíîå ïðîñâåòëÿþùåå ïîêðûòèå èç ñóëüôèäà öèíêà (ðèñ. 2, êðèâûå 3 è 4). Íà äëèíå âîëíû 10 ìêì íàáëþäàëîñü ìåíüøåå óâåëè÷åíèå ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè, ÷åì â ñëó÷àå íåïðîñâåòëåííîãî ãåðìàíèÿ. Äëÿ îáðàçöà, ïðîñâåòëåííîãî ñ îáåèõ ñòîðîí, âåëè÷èíà ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíÿëàñü (ðèñ. 2, êðèâûå 5 è 6). Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé áåç ðàññìîòðåíèÿ âîëíîâûõ ïðîöåññîâ ïðîñâåòëåíèÿ ïîçâîëÿåò ñäåëàòü ñëåäóþùåå êà÷åñòâåííîå îáúÿñíåíèå íàáëþäàåìîãî ÿâëåíèÿ: ïðîñâåòëÿþùåå ïîêðûòèå óâåëè÷èâàåò ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè îáðàçöà, ÷òî ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ äîïîëíèòåëüíîé êîíöåíòðàöèè ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà è óìåíüøàåò âëèÿíèå êîðîòêîâîëíîâîé çàñâåòêè.
 ïîñëåäíåå âðåìÿ ðàçðàáîò÷èêè îïòè÷åñêèõ ñèñòåì ïûòàþòñÿ íàéòè ìàòåðèàë, îáëàäàþùèé ïðîçðà÷íîñòüþ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà è ïðîïóñêàþùèé ÈÊ èçëó÷åíèå. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ äëÿ ÈÊ îïòèêè ïðåäñòàâëÿþò áèíàðíûå ïîëóïðîâîäíèêè ñåëåíèäà öèíêà è ñóëüôèäà öèíêà. Ðàçâèòèå CVD-òåõíîëîãèè (õèìè÷åñêîå îñàæäåíèå èç ãàçîâîé ôàçû) ïîçâîëèëî ïîëó÷èòü ñåëåíèä öèíêà ñ ïðåäåëüíûìè îïòè÷åñêèìè è ìåõàíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè [10].
 ðàáîòå [11] äàåòñÿ ñðàâíåíèå íåêîòîðûõ îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñóëüôèäà è ñåëåíèäà öèíêà è ãåðìàíèÿ. Ïðèâåäåíî îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå êà÷åñòâà ïðîïóñêàþùåé ñðåäû ïîëóïðîâîäíèêîâ îò òåìïåðàòóðû.  ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ èç ñåëåíèäà öèíêà óõóäøåíèÿ ïðîïóñêàíèÿ îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ïðàêòè÷åñêè íå ïðîèñõîäèò. Îäíàêî ñåëåíèä öèíêà – ìÿãêèé ìàòåðèàë è ñëèøêîì ÷óâñòâèòåëåí ê ñòîëêíîâåíèÿì ñ êàïëÿìè äîæäÿ è òâåðäûìè ÷àñòèöàìè. Àâòîðû ðàáîòû [10] îòìå÷àþò, ÷òî ïîâûøåíèå ýðîçèîííîé è òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ñåëåíèäà öèíêà óäàëîñü äîñòè÷ü ïóòåì íàíåñåíèÿ íà åãî ïîâåðõíîñòü òîíêîãî ñëîÿ (0,6 ìì) ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî ñóëüôèäà öèíêà. Ãåðìàíèé îáëàäàåò ïðåâîñõîäíûìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, îäíàêî îí íå ïðèãîäåí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ òàì, ãäå âîçìîæåí àýðîäèíàìè÷åñêèé íàãðåâ. Ïðè ñêîðîñòè 5000 êì/÷àñ â ïëîòíûõ ñëîÿõ àòìîñôåðû òåìïåðàòóðà îêíà ìîæåò äîñòèãàòü 400 °Ñ [11].
92 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
Òàêèì îáðàçîì, âûáîð ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ñ ìàêñèìàëüíûì ïðîïóñêàíèåì â íåîáõîäèìîì èíòåðâàëå òåìïåðàòóð äëÿ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òåïëîâèçèîííûõ ñèñòåì ìîæåò áûòü ïðîâåäåí ïî ñîâîêóïíîñòè ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ: òèïó ïðîâîäèìîñòè, óäåëüíîìó ñîïðîòèâëåíèþ, ïîäâèæíîñòè íîñèòåëåé çàðÿäà è øèðèíå çàïðåùåííîé çîíû. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ïðîâåðêà âåëè÷èíû ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì ñ âûñîêîòåìïåðàòóðíûì èñòî÷íèêîì èçëó÷åíèÿ äîëæíà ïðîâîäèòüñÿ ïðè ôèëüòðàöèè èçëó÷åíèÿ èç ñîáñòâåííîé îáëàñòè ïîãëîùåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêà.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ìîññ Ò. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâ. Ì.: ÈË, 1961. 301 ñ.
12. Íåñìåëîâà È.Ì., Àñòàôüåâ Í.È., Íåñìåëîâ Å.À. Çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîãî ãåðìàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà îò óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. Ò. 74. ¹ 1. Ñ. 88–92.
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14. Ãàððèê Í. Èçìåðåíèå âðåìåíè æèçíè èçáûòî÷íûõ íîñèòåëåé òîêà â ïîëóïðîâîäíèêàõ / Ïîä ðåä. Â.À. Áîí÷Áðóåâè÷à. Ðåêîìáèíàöèÿ íîñèòåëåé òîêà â ïîëóïðîâîäíèêàõ. Ì.: ÈË, 1959. 140 ñ.
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16. Áëåêìîð Äæ. Ñòàòèñòèêà ýëåêòðîíîâ â ïîëóïðîâîäíèêàõ. Ì.: Ìèð, 1964. 392 c.
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11. Ãàâðèùóê Å.Ì., ßøèíà Ý.Â. Îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû èç ñóëüôèäà è ñåëåíèäà öèíêà äëÿ èíôðàêðàñíîé òåõíèêè // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2004. Ò. 71. ¹ 12. Ñ. 24–31.
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ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÕ ÌÀÒÅÐÈÀËΠÊÀÊ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÐÅÄ ÄËß ÈÍÔÐÀÊÐÀÑÍÎÉ ÎÁËÀÑÒÈ ÑÏÅÊÒÐÀ
© 2008 ã. Í. È. Àñòàôüåâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; È. Ì. Íåñìåëîâà, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; © 2008 ã. Å. À. Íåñìåëîâ , äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê
ÍÏÎ “Ãîñóäàðñòâåííûé èíñòèòóò ïðèêëàäíîé îïòèêè”, Êàçàíü Å-mail: eugene@mi.ru
Ðàññìîòðåíû îñîáåííîñòè ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðèìåíèòåëüíî ê èõ èñïîëüçîâàíèþ â êà÷åñòâå îïòè÷åñêîé ñðåäû äëÿ èíôðàêðàñíûõ ñèñòåì. Ïîêàçàíî, ÷òî äîñòîâåðíûå ñâåäåíèÿ î âåëè÷èíå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ â èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû èç ñîâîêóïíîñòè ïàðàìåòðîâ: òèïà ïðîâîäèìîñòè, óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, ïîäâèæíîñòè íîñèòåëåé çàðÿäà, øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû.
Êîäû OCIS: 160.0160, 160.4760.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 17.03.2008.
Âîçðàñòàþùàÿ ïîòðåáíîñòü â èíôðàêðàñíûõ (ÈÊ) îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåìàõ ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ ñòèìóëèðóåò ðàçðàáîòêè íîâûõ è ñîâåðøåíñòâîâàíèå óæå èçâåñòíûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ïðîçðà÷íûõ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.  ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëñÿ ðÿä ìàòåðèàëîâ ïîëó÷åííûõ ìåòîäàìè âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ïðåññîâàíèÿ è õèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû îêñèäîâ, ãàëîãåíèäîâ è ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñîåäèíåíèé. Îáøèðíàÿ èíôîðìàöèÿ îá îïòè÷åñêèõ è ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ýòèõ ìàòåðèàëîâ, è òàêæå î øèðîêî èñïîëüçóåìûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ, ãåðìàíèè è êðåìíèè, ïîçâîëÿåò ïðîåêòèðîâùèêàì ñèñòåì âûáðàòü íåîáõîäèìûé ìàòåðèàë äëÿ îïòè÷åñêèõ äåòàëåé. Îäíàêî â ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðå è íîðìàòèâíîé äîêóìåíòàöèè íå âñåãäà îòðàæåíû îñîáåííîñòè ìàòåðèàëà, îïðåäåëÿþùèå óñëîâèÿ åãî îïòèìàëüíîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Ýòî êàñàåòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, ïîëóïðîâîäíèêîâ, ïðîçðà÷íîñòü êîòîðûõ â ÈÊ îáëàñòè çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè ïðèìåñåé, òåìïåðàòóðû è ôîíîâîãî êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.  íàñòîÿùåé ðàáîòå ðàññìîòðåíû íåêîòîðûå îñîáåííîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðèìåíèòåëüíî ê èõ èñïîëüçîâàíèþ â êà÷åñòâå îïòè÷åñêîé ñðåäû äëÿ ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.
Ïðîöåññû ïîãëîùåíèÿ èçëó÷åíèÿ ñëåäóåò êëàññèôèöèðîâàòü ïî òîìó, íà ÷òî íåïîñðåäñòâåííî ðàñõîäóåòñÿ ýíåðãèÿ ïîãëîùåííûõ ôîòîíîâ.  ñëó÷àå ïîãëîùåíèÿ ñâîáîäíûìè íîñèòåëÿìè çàðÿäà ýíåðãèÿ ðàñõîäóåòñÿ íà ñîçäàíèå òîêà âûñîêîé (îïòè÷åñêîé) ÷àñòîòû è, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ïåðåõîäèò â äæîóëåâî òåïëî. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà çà êðàåì îñíîâíîé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ôîðìóëîé Äðóäå [1], êîòîðàÿ çàïèñûâàåòñÿ êàê
( )α = (4πσ0 )/ сnω2τr2 ≡ ( )≡ α = (е3N (P)λ2 )/ πс3nμm2 ,
(1)
ãäå α – êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ, σî – óäåëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü ïðè ïîñòîÿííîì òîêå, n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, ω – êðóãîâàÿ ÷àñòîòà ñâåòîâîé âîëíû, τr – âðåìÿ ðåëàêñàöèè, N è P – êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ è äûðîê, μ è m – èõ ïîäâèæíîñòè è ýôôåêòèâíûå ìàññû ñîîòâåòñòâåííî.
Äëÿ îáðàçöîâ ãåðìàíèÿ ïîìèìî ïîãëîùåíèÿ íà ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíàõ è äûðêàõ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïîãëîùåíèå, îáóñëîâëåííîå ïåðåõîäàìè äûðîê ìåæäó ïîäçîíàìè âàëåíòíîé çîíû. Âñëåäñòâèå ýòèõ ïåðåõîäîâ äûðî÷íàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ âáëèçè äëèíû âîëíû 10 ìêì ïðåâîñõîäèò ýëåêòðîííóþ ñîñòàâëÿþùóþ ïî÷òè â 40 ðàç. Òàêèõ ïåðåõîäîâ â êðåìíèè íå îáíàðóæåíî.
Âûðàçèâ â (1) N ÷åðåç óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ρ äëÿ ïîëóïðîâîäíèêà n-òèïà, ïîëó÷èì
α ~ 1/(ρμ2).
(2)
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî α çàâèñèò îò äâóõ ïåðåìåííûõ, è ñóùåñòâóþùàÿ ïðàêòèêà îòáîðà ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ïîëóïðîâîäíèêà ñ ìèíèìàëüíûì α òîëüêî ïî âåëè÷èíå ρ íåêîððåêòíà. Ýòî ìîæåò áûòü îïðàâäàíî òîëüêî äëÿ íåêîìïåíñèðîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ ñ ìàëûì ñîäåðæàíèåì ïðèìåñè, êîãäà ìîæíî ñ÷èòàòü μ = const. Ðåàëüíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ìàòåðèàëû ñîäåðæàò áîëüøîå êîëè÷åñòâî çàêîìïåíñèðîâàííîé ôîíîâîé ïðèìåñè è äëÿ îöåíêè èõ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ íåîáõîäèìî çíàíèå ρ è μ [2].
 ïîëóïðîâîäíèêàõ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû Eg èçìåíÿåòñÿ ñ òåìïåðàòóðîé Ò.  êëàññè÷åñêèõ
90 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ïîëóïðîâîäíèêàõ (ãåðìàíèé, êðåìíèé) Eg óìåíüøàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì Ò.  ïîëóïðîâîäíèêîâûõ òâåðäûõ ðàñòâîðàõ, ñîäåðæàùèõ òÿæåëûå ìåòàëëû, íàïðèìåð, ðòóòü, ñâèíåö, Eg óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ðîñòîì Ò. Òàêèì îáðàçîì, êðàé ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ, ò. å. êîðîòêîâîëíîâàÿ ãðàíèöà ïðîïóñêàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé ñðåäû, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ïðè êîòîðîé áóäåò ýêñïëóàòèðîâàòüñÿ ñèñòåìà. Ñ äëèííîâîëíîâîé ñòîðîíû êðàÿ îñíîâíîé ïîëîñû ïîãëîùåíèå îïðåäåëÿåòñÿ òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòüþ êîíöåíòðàöèè ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé [N ~ exp (–Eg/kÒ)] è èõ ïîäâèæíîñòè (μ ~ Òb), ãäå b = ± 3/2 èëè –1/2 â çàâèñèìîñòè îò ìåõàíèçìîâ ðàññåÿíèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà. Íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïîãëîùåíèå, îáóñëîâëåííîå îñîáåííîñòÿìè çîííîé ñòðóêòóðû ïîëóïðîâîäíèêà. Ñîâîêóïíîå äåéñòâèå ðàññìîòðåííûõ ôàêòîðîâ ïðîÿâëÿåòñÿ òàê, ÷òî, íàïðèìåð, îáðàçöû ãåðìàíèÿ ñòàíîâÿòñÿ íåïðîçðà÷íûìè â ÈÊ îáëàñòè ïðè 420 Ê, êðåìíèÿ – ïðè 600 Ê, à ïðîïóñêàíèå ñåëåíèäà öèíêà ïðè íàãðåâå äî 500 Ê óìåíüøàåòñÿ íà 1,5–2,0% [3].
 êîðîòêîâîëíîâîé îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêè èìåþò êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ íà 3–4 ïîðÿäêà áîëüøå, ÷åì çà åå êðàåì. Âñëåäñòâèå ýòîãî îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü â ÈÊ ñèñòåìàõ ïðèìåíÿòü ôèëüòðû, îòðåçàþùèå ôîíîâîå êîðîòêîâîëíîâîå èçëó÷åíèå. Îäíàêî ïðè ïîãëîùåíèè ýòîãî èçëó÷åíèÿ â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå ïîëóïðîâîäíèêà ãåíåðèðóþòñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîííî-äûðî÷íûå ïàðû, èçìåíÿþùèå ïîãëîùåíèå è îòðàæåíèå îáðàçöà â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà. Óâåëè÷åíèå ïîãëîùåíèÿ íà ñâîáîäíûõ íîñèòåëÿõ çàðÿäà ãåðìàíèÿ çàñâåòêîé îò ëàìïû íàêàëèâàíèÿ îáíàðóæåíî â 1956 ã. Ãàððèêîì Í. [4]. Àâòîð óâåðåííî ðåãèñòðèðîâàë èçáûòî÷íûå íîñèòåëè çàðÿäà íà ðàññòîÿíèè 15 ìì îò îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè. Óìåíüøåíèå ïðîïóñêàíèÿ ïî÷òè íà ïîðÿäîê è óâåëè÷åíèå îòðàæåíèÿ â 2–4 ðàçà íà äëèíå âîëíû 10,6 ìêì â çàâèñèìîñòè îò èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîé çàñâåòêè èç îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ â ãåðìàíèè, êðåìíèè è ñåëåíèäå öèíêà íàáëþäàëîñü â ðàáîòå [5].
Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ðàññ÷èòàííûå àâòîðàìè çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ íà äëèíå âîëíû 10 ìêì îò èíòåíñèâíîñòè çàñâåòêè èç ñîáñòâåííîé îáëàñòè äëÿ ãåðìàíèÿ n-òèïà ïðè Ò = = 300 Ê. Âû÷èñëåíèÿ ïðîâîäèëèñü ñ ó÷åòîì ìåæïîäçîííûõ ïåðåõîäîâ äûðîê â âàëåíòíîé çîíå. Êîíöåíòðàöèè èçáûòî÷íûõ ýëåêòðîíîâ ΔN è äûðîê ΔÐ â ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè îïðåäåëÿëàñü, êàê [6]
ΔN = ΔP = (1 – R)αñIτf (s, τ),
(3)
ãäå αñ – ñðåäíèé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ, I – ïëîòíîñòü ôîòîíîâ çàñâåòêè â äèàïàçîíå äëèí âîëí ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ (0–2) ìêì, R – êî-
α, ñì–1 2
3 2
1
10–1 8 6 4
2
10–2 1015
1016
1017
1018
I, ôîòîí ñì–2 ñ–1
Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ n-òèïà íà äëèíå âîëíû 10 ìêì (300 Ê) îò çàñâåòêè èç îáëàñòè ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ãåðìàíèÿ. 1 – ρ = 38 Îì ñì, s1 = 3000 ñì/ñ, s2 = 0; 2 – ρ = 7 Îì ñì, s1 = 3000 ñì/ñ, s2 = 0, 3 – ρ= 38 Îì ñì, s1 = s2 = 0.
ýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ, τ – âðåìÿ æèçíè íîñèòåëåé
çàðÿäà, f (s, τ) – ôóíêöèÿ, îïðåäåëÿþùàÿ âêëàä ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè. Ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî ΔÐ = ΔN < N è Ð, ðåêîìáèíàöèÿ èäåò â îñíîâíîì ñ ó÷àñòèåì ôîíîíîâ è τ = τp = τn = (CpN)–1. Ñêîðîñòü îáúåìíîé ðåêîìáèíàöèè Cp = 2,5×10–9 cì 3/ñ [7]. Âåëè÷èíà αñ ïðèíèìàëàñü ðàâíîé 102ñì–1, R = 0,36. Çíà÷åíèå ôóíêöèè f (s, τ) îïðåäåëÿëîñü â ïðåäåëàõ äèôôóçèîííîé äëèíû äûðîê L îò îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè ïðè êîýôôèöèåíòå äèôôóçèè 50 ñì2/c. Ñêî-
ðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè íà îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè s1 = 3×103 cì/ñ [8], à ïðè õ = L s2 = 0. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ äëÿ îáðàçöîâ ñ óäåëüíûìè ñî-
ïðîòèâëåíèÿì 7 è 38 Îì ñì ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1. Òàì æå ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü α(I ) äëÿ îáðàçöà ñ ρ = 38 Îì ñì ïðè s1 = s2 = 0 (ðèñ. 1, êðèâàÿ 3). Íà ðèñ. 1 âèäíî, ÷òî âåëè÷èíà α íåëèíåéíî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì èíòåíñèâíîñòè çàñâåòêè. Ðîñò α íà÷èíàåòñÿ ñ ìåíüøèõ ïëîòíîñòåé ôîòîíîâ äëÿ îáðàç-
öà ñ áîëüøèì óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì è ìåíüøåé ñêîðîñòüþ ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè, ïðè÷åì ñêîðîñòü âîçðàñòàíèÿ äëÿ íèçêîîìíîãî îáðàçöà çà-
ìåòíî ìåíüøå, ÷åì äëÿ âûñîêîîìíîãî îáðàçöà.
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Ïðîâåäåííûå îöåíêè ïîêàçàëè, ÷òî ïëîòíîñòü ïîòîêà ôîòîíîâ â äèàïàçîíå äëèí âîëí 0–2 ìêì îò ãëîáàðà ñ Ò = 1573 Ê, èñïîëüçóåìîãî â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ â ñïåêòðîìåòðàõ òèïà ÈÊÑ-21, íà âõîäíîé ùåëè ìîíîõðîìàòîðà ≥ 5×1016 ôîòîí/(ñì2 ñ). Òàêàÿ çàñâåòêà ìîæåò ïîâëèÿòü íà ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà ìíîãèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.
Áûëè èçó÷åíû ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ îáðàçöîâ ãåðìàíèÿ n-òèïà ìàðêè ÃÌÎ (ρ = 23 Îì ñì) òîëùèíîé 1,9 ìì ïðè 300 Ê ñ ôèëüòðàöèåé è áåç ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ. Ôèëüòðàöèÿ îáåñïå÷èâàëàñü ïîëèðîâàííîé ïëàñòèíîé ãåðìàíèÿ. Ñïåêòðû, çàïèñàííûå íà ôóðüå-ñïåêòðîìåòðå Equinax-55 è ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 2 (êðèâûå 1, 2), ñâèäåòåëüñòâóþò î ïîâûøåííîì ïðîïóñêàíèè (τ) ïðè èñïîëüçîâàíèè ôèëüòðà. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì áûëî îïðåäåëåíî ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ãåðìàíèÿ íà äëèíå âîëíû 10 ìêì ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîìåòðà ÈÊÑ-21, à òàêæå ïðè çàìåíå ìîíîõðîìàòîðà óçêîïîëîñíûì ôèëüòðîì äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîé ðàñôîêóñèðîâêè èçëó÷åíèÿ, êîòîðûé óñòàíàâëèâàëñÿ íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä ôîòîïðèåìíèêîì ÎÀÏ-7. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ñ ôèëüòðîì áûëî íà 0,7–1,2% áîëüøå, ÷åì áåç ôèëüòðà. Âåëè÷èíà α, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ýòîé ðàçíèöå â ïðîïóñêà-
τ, % 90
70 6
4 3
5
50 2 1
30 6
8 10 12 14 16
λ, ìêì
Ðèñ. 2. Ïðîïóñêàíèå îáðàçöà ãåðìàíèÿ n-òèïà ìàðêè ÃÌÎ ïðè 300 Ê, òîëùèíà 1,9 ìì. 1, 2 – áåç ïðîñâåòëåíèÿ; 3, 4 – ïðîñâåòëåíèå ñ îäíîé ñòîðîíû îáðàçöà; 5, 6 – ïðîñâåòëåíèå ñ îáåèõ ñòîðîí îáðàçöà. 1, 3, 5 – áåç ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ; 2, 4, 6 – ñ ôèëüòðàöèåé êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ.
íèè, áëèçêà ê àáñîëþòíîé ïîãðåøíîñòè ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêîãî ìåòîäà èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ [9]. Ïîñêîëüêó ðàçíîñòü â ïðîïóñêàíèè ñ ôèëüòðîì è áåç ôèëüòðà áûëà âñåãäà îäíîçíà÷íîé, âëèÿíèå êîðîòêîâîëíîâîé çàñâåòêè íà ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè íå âûçûâàåò ñîìíåíèé.
Óâåëè÷åíèå ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè èçëó÷åíèÿ íàáëþäàëîñü è äëÿ îáðàçöîâ, íà îäíó ñòîðîíó êîòîðûõ áûëî íàíåñåíî îäíîñëîéíîå ïðîñâåòëÿþùåå ïîêðûòèå èç ñóëüôèäà öèíêà (ðèñ. 2, êðèâûå 3 è 4). Íà äëèíå âîëíû 10 ìêì íàáëþäàëîñü ìåíüøåå óâåëè÷åíèå ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè, ÷åì â ñëó÷àå íåïðîñâåòëåííîãî ãåðìàíèÿ. Äëÿ îáðàçöà, ïðîñâåòëåííîãî ñ îáåèõ ñòîðîí, âåëè÷èíà ïðîïóñêàíèÿ ïðè ôèëüòðàöèè êîðîòêîâîëíîâîãî èçëó÷åíèÿ ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíÿëàñü (ðèñ. 2, êðèâûå 5 è 6). Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé áåç ðàññìîòðåíèÿ âîëíîâûõ ïðîöåññîâ ïðîñâåòëåíèÿ ïîçâîëÿåò ñäåëàòü ñëåäóþùåå êà÷åñòâåííîå îáúÿñíåíèå íàáëþäàåìîãî ÿâëåíèÿ: ïðîñâåòëÿþùåå ïîêðûòèå óâåëè÷èâàåò ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè îáðàçöà, ÷òî ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ äîïîëíèòåëüíîé êîíöåíòðàöèè ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà è óìåíüøàåò âëèÿíèå êîðîòêîâîëíîâîé çàñâåòêè.
 ïîñëåäíåå âðåìÿ ðàçðàáîò÷èêè îïòè÷åñêèõ ñèñòåì ïûòàþòñÿ íàéòè ìàòåðèàë, îáëàäàþùèé ïðîçðà÷íîñòüþ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà è ïðîïóñêàþùèé ÈÊ èçëó÷åíèå. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ äëÿ ÈÊ îïòèêè ïðåäñòàâëÿþò áèíàðíûå ïîëóïðîâîäíèêè ñåëåíèäà öèíêà è ñóëüôèäà öèíêà. Ðàçâèòèå CVD-òåõíîëîãèè (õèìè÷åñêîå îñàæäåíèå èç ãàçîâîé ôàçû) ïîçâîëèëî ïîëó÷èòü ñåëåíèä öèíêà ñ ïðåäåëüíûìè îïòè÷åñêèìè è ìåõàíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè [10].
 ðàáîòå [11] äàåòñÿ ñðàâíåíèå íåêîòîðûõ îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñóëüôèäà è ñåëåíèäà öèíêà è ãåðìàíèÿ. Ïðèâåäåíî îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå êà÷åñòâà ïðîïóñêàþùåé ñðåäû ïîëóïðîâîäíèêîâ îò òåìïåðàòóðû.  ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ èç ñåëåíèäà öèíêà óõóäøåíèÿ ïðîïóñêàíèÿ îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ïðàêòè÷åñêè íå ïðîèñõîäèò. Îäíàêî ñåëåíèä öèíêà – ìÿãêèé ìàòåðèàë è ñëèøêîì ÷óâñòâèòåëåí ê ñòîëêíîâåíèÿì ñ êàïëÿìè äîæäÿ è òâåðäûìè ÷àñòèöàìè. Àâòîðû ðàáîòû [10] îòìå÷àþò, ÷òî ïîâûøåíèå ýðîçèîííîé è òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ñåëåíèäà öèíêà óäàëîñü äîñòè÷ü ïóòåì íàíåñåíèÿ íà åãî ïîâåðõíîñòü òîíêîãî ñëîÿ (0,6 ìì) ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî ñóëüôèäà öèíêà. Ãåðìàíèé îáëàäàåò ïðåâîñõîäíûìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, îäíàêî îí íå ïðèãîäåí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ òàì, ãäå âîçìîæåí àýðîäèíàìè÷åñêèé íàãðåâ. Ïðè ñêîðîñòè 5000 êì/÷àñ â ïëîòíûõ ñëîÿõ àòìîñôåðû òåìïåðàòóðà îêíà ìîæåò äîñòèãàòü 400 °Ñ [11].
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Òàêèì îáðàçîì, âûáîð ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ñ ìàêñèìàëüíûì ïðîïóñêàíèåì â íåîáõîäèìîì èíòåðâàëå òåìïåðàòóð äëÿ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òåïëîâèçèîííûõ ñèñòåì ìîæåò áûòü ïðîâåäåí ïî ñîâîêóïíîñòè ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ: òèïó ïðîâîäèìîñòè, óäåëüíîìó ñîïðîòèâëåíèþ, ïîäâèæíîñòè íîñèòåëåé çàðÿäà è øèðèíå çàïðåùåííîé çîíû. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ïðîâåðêà âåëè÷èíû ïðîïóñêàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì ñ âûñîêîòåìïåðàòóðíûì èñòî÷íèêîì èçëó÷åíèÿ äîëæíà ïðîâîäèòüñÿ ïðè ôèëüòðàöèè èçëó÷åíèÿ èç ñîáñòâåííîé îáëàñòè ïîãëîùåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêà.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ìîññ Ò. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâ. Ì.: ÈË, 1961. 301 ñ.
12. Íåñìåëîâà È.Ì., Àñòàôüåâ Í.È., Íåñìåëîâ Å.À. Çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîãî ãåðìàíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà îò óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. Ò. 74. ¹ 1. Ñ. 88–92.
13. Ãàâðèùóê Å.Ì. Ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèé ZnSe äëÿ ÈÊ îïòèêè // Íåîðãàíè÷åñêèå ìàòåðèàëû. 2003. Ò. 39. ¹ 9. Ñ. 1031–1049.
14. Ãàððèê Í. Èçìåðåíèå âðåìåíè æèçíè èçáûòî÷íûõ íîñèòåëåé òîêà â ïîëóïðîâîäíèêàõ / Ïîä ðåä. Â.À. Áîí÷Áðóåâè÷à. Ðåêîìáèíàöèÿ íîñèòåëåé òîêà â ïîëóïðîâîäíèêàõ. Ì.: ÈË, 1959. 140 ñ.
15. Toyoda Y., Elias L.R., Yen W.M. Time-resolved reflectance and transmittance measurements of laser-induced free carriers in germanium, silicon, and zinc selenide at 10,6 μm // Appl. Opt. 2007. V. 46. ¹ 5. P. 785–788.
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