Применение ИК фотоприемников.

Тепловизионная техника, основанная на применении фотоприемников инфракрасного (ИК) диапазона используется в различных областях народного хозяйства:

§ – химическая промышленность;

§ – металлургия черных и цветных металлов;

§ – медицина (ранняя диагностика раковых опухолей и других заболеваний);

§ – геология (поиск нефтегазовый, рудных и нерудных месторождений и геотермальных вод);

§ – городское хозяйство (используют для обнаружения скрытых утечек тепла, горячей и холодной воды в теплотрассах и водопроводной сети, обнаружение карстовых полостей в районах массовой застройки, обнаружение нарушения изоляции электропроводки);

§ – сельское хозяйство (контроль увлажнения и иссушения почв, состояние посевов с/х культур, выявление поражения вредителями и болезнями посевов и т.д.);

§ – лесное хозяйство (выявление массового поражения леса вредителями, обнаружение очагов лесных пожаров при значительном задымлении);

§ – экология (тепловые загрязнения рек и водоёмов, загрязнения воздушного бассейна выбросами электростанций и других промышленных предприятий, наблюдение за миграцией подземных вод – отходов металлургической и химической промышленности);

§ – контроль и диагностика чрезвычайных ситуаций;

§ – энергетика (дистанционный контроль предаварийных ситуаций крупных энергетических объектов).

– КРТ материал относится к собственным полупроводникам, поэтому чувствительность детекторов на его основе выше, чем чувствительность детекторов на основе примесных полупроводников.

- В этом материале время жизни носителей довольно мало, диэлектрическая постоянная невелика, поэтому быстродействие детекторов на основе КРТ высокое.

– Возможность варьировать ширину запрещенной зоны.

– Еще одно преимущество КРТ перед другими материалами заключается в возможности (и это подтверждено опытными разработками) изготавливать многоэлементные линейные и двумерные матрицы фотодетекторов, чувствительных в спектральном диапазоне 10–12 мкм при температуре 77К и в диапазоне 4–6 мкм при температуре 220К (-60 С).

Преимущества гетероэпитаксиальных структур КРТ по сравнению с объемными кристаллами КРТ.

– Преимуществом структур является существенное упрощение технологии изготовления ИК фотоприемников. ГЭС (Гетероэпитаксиальные структуры) КРТ не уступают по свойствам объемным кристаллам КРТ, превосходят их по технологичности изготовления фотоприемников и пригодны для производства многоэлементных фотоприемников с параметрами, близкими к предельным.

– Этот материал может быть изготовлен с различной шириной запрещенной зоны, так что приборы на его основе могут регистрировать ИК-излучение в диапазоне 1.6 – 20 мкм.

HgCdTe: свойства и технология

С точки зрения фундаментальных свойств HgCdTe – очень привлекательный материал, он пользуется большим спросом в течение последних тридцати лет. HgCdTe – полупроводниковый твердый раствор со структурой цинковой обманки, чьи свойства меняются непрерывно с изменением состава х между фазами бинарных соединений. Для того чтобы дать полное описание свойств и сказать, как они изменяются с х, необходимо большое число экспериментальных данных. В отличие от сильной зависимости полупроводниковых свойств от состава, период кристаллической решетки CdTe только на 0.3% больше, чем период кристаллической решетки HgTe. Здесь представлены фундаментальные свойства материала, важные при создании ИК-детекторов, а также связанные с технологией.

Полупроводниковые свойства

Рабочие характеристики ИК-фотодетекторов определяются следующими основными свойствами используемого полупроводника: шириной запрещенной зоны, собственной концентрацией, подвижностями электронов и дырок, коэффициентом поглощения, скоростями тепловой генерации и рекомбинации. Табл. 1 содержит перечень основных параметров материала.

Зонная структура

Электрические и оптические свойства Hg_1-xCd_xTe определяются структурой запрещенной зоны вблизи Г-точки зоны Бриллюэна. Формы электронной зоны и зоны легких дырок определяются шириной запрещенной зоны и матричным элементом импульса. Ширина запрещенной зоны этого соединения при температуре 4.2 К варьируется от -0,300 эВ для полуметаллического HgTe, проходит ноль при х = 0.15 и далее увеличивается до 1.648 эВ для CdTe.

Таблица 1. Физические свойства Hg_1-xCd_xTe (х = 0; 0.2; 1)

Свойства	Т, К.	HgTe	Hg0.8Cd0.2Te	CdTe
Постоянная решетки А, А	300	6.4614	6.4637	6.4809
Коэф. теплового расширения а, 10 -6 К.	300	4.2	4.1	4.1
Тепловая проводимость С, Вт/(см • К)	300	0.031	0.013	0.057
Плотность р, г/см3	300	8.076	7.630	5.846
Температура плавления Т m , К.		943	940 (тв.)
			1050 (жид.)	1365
Ширина запрещенной зоны Eg , эВ	300	-0.1415	0.1546	1.4895
	77	-0.2608	0.0830	1.6088
	4.2	-0.2998	0.05960	1.6478
Эффективные массы: m* /m	77	0.029	0.0064	0.096
mh*/m		0.35–0.7	0.4–0.7	0.66
Подвижности, см2/(В • с): е	77		2.5 х105	4x104
h			7x102	3.8 х 104
Собственная концентрация ni, см-3	300		3.4 х 1016
	77		9.9 х 1013
Статическая диэлектрическая постоянная h	300	20.8	17.8	10.5
Высокочастотная диэлектрическая постоянная x	300	15.1	13.0	7.2

Подвижности

Благодаря малым эффективным массам, значения подвижности электронов в HgCdTe являются высокими, в то время как подвижность тяжелой дырки – на два порядка ниже. Подвижность электронов определяется рядом механизмов рассеяния, включая рассеяние на ионизированных примесях и разупорядоченностях соединения, электрон – электронные и дырка – дырочные взаимодействия, рассеяние на акустических и полярных оптических фононах. Рассеяние на неполярных оптических фононах вносит значительный вклад в р-типе и полуметаллических материалах n-типа. Несмотря на то, что результаты расчета значений подвижности электронов в основном хорошо согласуются с экспериментом, все еще нет общего теоретического понимания подвижности дырки в HgCdTe.

Электронная подвижность в Hg_1-xCd_xTe (в см²/(В • с)) в диапазоне составов 0.2 < х < 0.6 и при температурах Т > 50 К может быть аппроксимирована как

_е = с

Где г=(0.2/х)^0,6, s = (0.2/x)^7.5.

Используют следующую эмпирическую формулу подвижности _е для слаболегированного материала n-типа:

_е=9х10⁴(me; T)^-3/2. (13)

Эта формула может быть связана с формулой подвижности для рассеяния на ионизированной примеси при приблизительной оценке зависимостей _е с изменением состава х и уровня легирования полупроводника при температуре >77 К. Предлагают эмпирическую формулу (действующую в диапазоне составов 0.18 < х < 0.25) для изменения подвижности _е с изменением х при 300 К для самых высококачественных материалов:

_е=10⁴(8.754х-1.044)^-1см²/(В•с). (14)

Значения подвижности дырок при комнатной температуре изменяются в диапазоне от 40 до 80 см²/(В • с), температурные зависимости относительно слабы. Дырочная подвижность при температуре 77 К на порядок выше, чем при комнатной температуре. При моделировании фотоприемников ИК-излучения обычно полагают, что дырочная подвижность вычисляется при предположении, что отношение подвижностей электрона и дырки b= m_e / m_h постоянна и равна 100.

Оптические свойства

Оптические свойства HgCdTe исследованы, главным образом, при значениях энергии порядка ширины запрещенной зоны. Коэффициент поглощения при оптической генерации носителей может быть рассчитан в рамках модели Кейна, включая сдвиг Мосса–Бурштейна. Легирование полупроводника примесью р-типа увеличивает поглощение благодаря снижению заполнения зоны.

До сих пор появляются значительные несоответствия между известными данными относительно значений коэффициента поглощения. Это вызвано различными концентрациями собственных дефектов и примесей, неравномерным составом и легированием, неоднородностью толщины образцов, механическими деформациями и различными способами обработки поверхности. В высококачественных образцах измеренное поглощение в коротковолновой области спектра находится в хорошем согласии с рассчитанным по модели Кейна, в то время как на длинноволновой границе появляется экспоненциальный хвост. Наличие хвостов зон увеличивается из-за собственных точечных дефектов, примесей и других нарушений в кристалле:

см-¹, (15)

где Е выражено в электрон-вольтах, Т – в Кельвинах, Т₀ = 81.9,

Е₀ = -0.3424 + 1.838x + 0.148x², =3.267 х 10⁴(1 + х) и ₀ = exp (53.61x – 18.88). Наилучшее согласие с моделью Кейна достигается в области E_g = E( = 500 см^-1). Точка перехода между областью, описываемой моделью Кейна, и экспоненциальным хвостом при температуре 300 К находится при t = 100 + 5000x. Значительное поглощение HgCdTe ниже границ поглощения может быть связано с внутризонными переходами как в зоне проводимости, так и в валентной зоне, а также с переходами между подзонами валентной зоны.

Измерение поглощения является, возможно, наиболее общим стандартным методом для определения состава и его распределения в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях. Как правило, для толстых (>0.1 мм) образцов используется уровень поглощения 0.5 или 1% для верхней граничной длины волны, для более тонких образцов – различные методы.

Состав эпитаксиальных слоев обычно определяется из значения длины волны, соответствующей половине максимального пропускания 0.5Т_mах. Определение состава может быть затруднено наличием градиента состава по толщине. Измерения коэффициента отражения в ультрафиолетовом и видимом спектрах также используются для определения состава, особенно для характеризации поверхностной области при глубине проникновения 10–30 нм.

Местонахождение ширины запрещенной зоны Eg обычно измеряется по положению максимума коэффициента отражения, а состав рассчитывается из экспериментального выражения

E ₁ = 2.087 + 0.7109x + 0.1421x ²+ 0.3623x³. (16)

Сильно влияют на свойства КРТ легирующие примеси

Легирующие примеси