Залежність потужності теплового ІЧ випромінювання напівпровідника за краєм власного поглинання, збуджуваного світлом з області поглинання. Параметри напівпровідникового кристала: концентрація домішок, товщина кристала, коефіцієнт відбивання кристала.
Аннотация к работе
Також в світлодіодах при великих прямих зміщеннях відбувається концентрація ліній струму в області найменшого опору (current crowding), що призводить до зменшення ефективної площі випромінювання і значних локальних перегрівів [4], які зменшують квантовий вихід і стимулюють деградацію світлодіода. Перевагами теплових випромінювачів є висока потужність при високих температурах (десятки-сотні МВТ), яка збільшується з підвищенням температури (температурна активація процесу випромінювання). Одним із шляхів вирішення цих питань може стати використання нетрадиційного механізму прямого перетворення світла видимого або ближнього ІЧ діапазонів у випромінювання MW і LW діапазонів (light down conversion - перетворення світла “вниз”) за допомогою широкозонних напівпровідників (з краєм власного поглинання при l<3 мкм). Метою дослідження було зясування закономірностей процесу перетворення світла видимого і ближнього ІЧ діапазонів в ІЧ випромінювання діапазонів довжин хвиль 3-5 і 8-12 мкм в напівпровідниках, а також можливостей створення неохолоджуваних джерел ІЧ випромінювання і безконтактних джерел ІЧ зображень великої площі. Вперше показано, що потужність збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала немонотонно залежить від температури кристала: при підвищенні температури потужність ІЧ випромінювання досягає максимуму і далі зменшується; температура максимуму залежить від параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини кристала, а також від спектральної області, в якій реєструється ІЧ випромінювання.Потужність ТВ в заданій області спектра дорівнює добутку поглинальної (випромінювальної) здатності в цій області на потужність ТВ АЧТ. Збудження ТВ напівпровідника світлом з області власного поглинання можна розглядати як перетворення короткохвильового випромінювання в довгохвильове (light down conversion). Шляхом порівняння сигналу ТВ кристала з сигналом ТВ чорного тіла встановлено, що на ділянці насичення потужність ТВ кристала дорівнює потужності ТВ АЧТ, помноженої на 1-R (R»0.36 - коефіцієнт відбивання поверхні германію), тобто максимально можливому значенню (при заданому R). Ідентичність залежностей підтверджує те, що потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання залежить тільки від числа надлишкових носіїв в пластині, а не від їх енергії відразу після генерації (до термалізації). Зменшення потужності надлишкового ТВ обумовлене зростанням поглинання надлишкового ТВ рівноважними носіями внаслідок збільшення власної концентрації носіїв, оскільки надлишкова випромінювальна здатність "оптично товстої" пластини в області власної провідності зменшується з температурою швидше, ніж зростає потужність ТВ АЧТ.При малому рівні збудження (DK?d<<1) в умовах лінійної рекомбінації потужність надлишкового теплового випромінювання пропорційна потужності збуджуючого світла і часу життя вільних носіїв, при цьому постійна часу перетворення світла дорівнює часу життя носіїв. Для ефективного перетворення видимого світла в ІЧ випромінювання напівпровідниковий кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектра в незбудженому стані і мати високий час життя вільних носіїв заряду. Потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала залежать від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів кристала: типу провідності, рівня легування, часу життя носіїв, товщини, коефіцієнта відбивання поверхні. Ефективність перетворення світла в кристалі германію досягає максимуму при деякій температурі кристала, яка залежить від області спектра спостереження ІЧ випромінювання і параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини. Зменшення прозорості кристала внаслідок міжзонної термічної генерації вільних носіїв спричиняє зменшення ефективності перетворення світла зі збільшенням температури кристала.
План
2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
Вывод
Збуджений світлом з hn>Eg напівпровідник при сталій температурі стає джерелом випромінювання з hn<Eg, надлишкового над випромінюванням незбудженого напівпровідника, що є по суті тепловим випромінюванням надлишкових вільних носіїв заряду. Цей процес можна розглядати як перетворення світла з короткохвильового діапазону спектра до довгохвильового (light down conversion).
Ефективність перетворення світла не залежить від квантового виходу міжзонної випромінювальної рекомбінації. Отже, для його реалізації є придатними непрямозонні напівпровідники.
При малому рівні збудження (DK?d<<1) в умовах лінійної рекомбінації потужність надлишкового теплового випромінювання пропорційна потужності збуджуючого світла і часу життя вільних носіїв, при цьому постійна часу перетворення світла дорівнює часу життя носіїв.
Для ефективного перетворення видимого світла в ІЧ випромінювання напівпровідниковий кристал повинен бути прозорим в ІЧ області спектра в незбудженому стані і мати високий час життя вільних носіїв заряду. Монокристали германію задовольняють цим умовам.
Потужність збуджуваного світлом ІЧ випромінювання напівпровідникового кристала залежать від температури, потужності і довжини хвилі збуджуючого світла, параметрів кристала: типу провідності, рівня легування, часу життя носіїв, товщини, коефіцієнта відбивання поверхні.
Ефективність перетворення світла в кристалі германію досягає максимуму при деякій температурі кристала, яка залежить від області спектра спостереження ІЧ випромінювання і параметрів кристала: ширини забороненої зони, типу провідності, рівня легування, товщини.
Зменшення прозорості кристала внаслідок міжзонної термічної генерації вільних носіїв спричиняє зменшення ефективності перетворення світла зі збільшенням температури кристала. Чим більше ширина забороненої зони напівпровідника, тим при більших температурах ефективність перетворення світла починає зменшуватись.
Збільшення концентрації донорних або акцепторних домішок приводить до зсуву максимуму температурної залежності ефективності перетворення світла в сторону більших температур.
Ефективність перетворення світла для кристалів n-типу, за інших рівних умов, більше, ніж для кристалів р-типу. Це обумовлено більшою вихідною прозорістю кристалів n-типу внаслідок співвідношення sn<sp. По цій же причині існує оптимальна концентрація некомпенсованих донорів, при якій досягається найвища потужність надлишкового ІЧ випромінювання для кристалів заданої форми і розмірів.
При наявності на поверхні напівпровідникового кристала навіть найпростішого одношарового просвітлюючого покриття потужність теплового випромінювання кристала в спектральних діапазонах 3-5 і 8-12 мкм може зростати під дією світла майже до потужності випромінювання абсолютно чорного тіла в цих діапазонах при стабільній температурі кристала.
Нанесення на поверхню напівпровідникового кристала інтерференційного покриття заданої товщини з матеріалу з заданим показником заломлення дає можливість реструктурувати спектр збуджуваного світлом теплового ІЧ випромінювання кристала.
Просторова нерівномірність освітленості напівпровідникового кристала випромінюванням з області власного поглинання супроводжується такою ж просторовою нерівномірністю потужності теплового випромінювання кристала в спектральній області поглинання вільними носіями заряду навіть при рівномірній температурі кристалічної гратки і вільних носіїв. Це дозволяє генерувати динамічні ІЧ зображення шляхом перетворення динамічних видимих зображень за допомогою однорідної монокристалічної напівпровідникової пластини.
На основі дослідженого явища light down conversion створені експериментальні прототипи джерел ІЧ зображень, здатні відтворювати як "гарячі", так і "холодні" ІЧ сцени. Джерела можуть застосовуватись для тестування ІЧ камер.
На основі дослідженого явища light down conversion реалізований ефект зникнення зображення в ІЧ діапазоні.
Джерела ІЧ випромінювання, основані на дослідженому явищі light down conversion, суміщають переваги світлодіодів (швидкодія, можливість генерувати випромінювання позитивного і негативного контрастів) і теплових джерел (високі робочі температури, ефективна робота як в MW, так і в LW діапазоні).
Германієвий ІЧ випромінювач на основі дослідженого явища light down conversion може ефективно працювати до температури принаймні 300о С, при цьому його потужність складає десятки МВТ/см2, а постійна часу знаходиться в мікросекундному діапазоні.
7. V.K. Malyutenko, K.V. Michailovskaya, O.Yu. Malyutenko, V.V. Bogatyrenko, D.R. Snyder. Pixelless IR Dynamic Scene Simulating Device // Abstract book of 5th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronic Materials and Devices, September 8-11, 2002, Annapolis, Maryland USA, P.58.
8. В.В. Богатыренко, Е.В. Михайловская. Использование тонкопленочных покрытий в проекторе динамической инфракрасной сцены (DISP) // Материалы IX международной конференции по физике и технологии тонких пленок, 19-24 мая 2003 г., Ивано-Франковск, Украина, С.209-210.
9. К.Д. Глинчук, В.К. Малютенко, О.Ю. Малютенко, С.В. Чирчик, В.В. Богатыренко. Влияние рекомбинационных свойств кремния (Т>300 K) на параметры имитаторов сцены инфракрасного диапазона // Тезисы докладов Третьей Российской конференции “Кремний-2003”, 26-30 мая 2003 г., Москва, Россия, С.415.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
10. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Стусь Н.М. Температурная зависимость люминесценции арсенида индия и твердых растворов INASSBP и INGAAS // ФТП.-1989.-Т.23, №4.-С.592.
11. В.К. Малютенко, С.С. Болгов, В.И. Пипа, Чайкин В.М. Квантовый выход рекомбинационного излучения в n-INSB // ФТП.-1989.-Т.14, №4.-С.781.
12. Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный Н.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н. Электролюминесценция светодиодов на основе твердых растворов INGAAS и INASSBP (l=3.3?4.3 мкм) в интервале температур 20-180о С // ФТП.-2001.-Т.35, №5.-С.619.
13. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A. Dazzi, N. Gross, J.-M. Ortega. Heat transfer mapping in 3-5 mm planar light emitting structures // Journal of Applied Physics.-2003.-Vol.93, №11.-P.9398.
14. O.M. Williams. Dynamic infrared scene projection: a review // Infrared Physics & Technology.-1998.-Vol.39.-P.473.