pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2018-9-3-215-226pimi-386Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsИзмерительные преобразователи систем оптической диагностики с многофункциональными одноэлементными фотоприемникамиMeasuring transducers for optical diagnostic system with multifunctional unitary photovoltaic convertersВоробейР. И.VorobeiR. I.ГусевО. К.GusevO. K.СвистунА. И.SvistunA. I.ТявловскийА. К.TyavlovskyA. K.ТявловскийК. Л.TyavlovskyK. L.

Адрес для переписки: Тявловский К.Л. – Белорусский национальный технический университет, пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013.   e-mail: ktyavlovsky@bntu.by

Address for correspondence: Tyavlovsky K.L. – Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus     e-mail: ktyavlovsky@bntu.by

ktyavlovsky@bntu.byШадурскаяЛ. И.ShadurskayaL. I.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20181709201893215226Copyright © Воробей Р.И., Гусев О.К., Свистун А.И., Тявловский А.К., Тявловский К.Л., Шадурская Л.И., 20182018Воробей Р.И., Гусев О.К., Свистун А.И., Тявловский А.К., Тявловский К.Л., Шадурская Л.И.Vorobei R.I., Gusev O.K., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L., Shadurskaya L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/386

Современные измерительные преобразователи систем оптической диагностики должны автоматически оценивать параметры оптического сигнала и переключаться между различными диапазонами энергетической и спектральной характеристиками чувствительности. Это требует применения нескольких фотоприемников, сложных оптических схем и сложных алгоритмов обработки измерительных сигналов. Целью работы являлся анализ применимости многофункциональных одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с низкой концентрацией глубокой примеси, формирующей в запрещенной зоне несколько энергетических уровней для разных зарядовых состояний, в измерительных преобразователях систем оптической диагностики.

Относительная сложность физических процессов при перезарядке нескольких энергетических уровней многозарядной глубокой примеси позволяет реализовать многофункциональность фотоэлектрического преобразователя при простой конструкции чувствительного элемента.

Показано, что фотоэлектрические одноэлементные преобразователи характеризуются расширенными функциональными характеристиками и увеличенными диапазонами энергетической (на несколько десятков децибел) и спектральной характеристик чувствительности (со сдвигом на 2–4 мкм в диапазоне спектральной чувствительности 1–10 мкм) с возможностью переключения между поддиапазонами энергетической и спектральной характеристик чувствительности под действием как измерительного сигнала, так и дополнительных управляющих воздействий. В качестве основного материала резистивной или барьерной структуры фотоприемника могут использоваться германий, кремний, полупроводниковые соединения типа А3В5 и другие материалы, в том числе совместимые с «не кремниевыми» технологиями и структурами на сапфировых подложках.

Modern measuring transducers for optical diagnostic system should perform automatic parameter estimation of optical signal and automatic switching between different energetic and optical sensitivity ranges. Traditional solution of this problem lies in the field of multi-sensory systems, complex optical schemes and complex signal processing algorithms. The paper aims at the development of new measuring transducers for optical diagnostic system on a basis of multifunctional unitary photovoltaic converters built on semiconductors with low-concentration deep dopants that form multiple energy levels for different charge states in the band gap. Relative complexity of physical processes accompanying the recharge of several energy levels of multiply-charged deep dopant makes it possible to realize the multifunctionality of a photoelectric converter albeit simple sensor design.

The proposed unitary photovoltaic converters proved to have extended functional characteristics and increased ranges of energetic characteristic (by dozens dB) and spectral sensitivity characteristic with possible shifts of red margin by 2 to 4 μm in the spectral sensitivity range of 1–10 μm. Energetic and spectral sensitivity characteristic ranges could be switched either by measurement signal itself or by additional control inputs. Possible materials for resistive or barrier photovoltaic converter structure are Germanium, Silicon, А3В5 systems and other semiconductors including that compatible with «non-silicon» technologies and structures on sapphire substrate.

измерительный преобразовательоптическая диагностикадатчик многофункциональныйфотоприемникодноэлементный фотоприемникmeasuring transduceroptical diagnosticsmultifunctional converterphotovoltaic converterunitary photovoltaicReferencesБалин, А. Оптическая диагностика атмосферы / А. Балин // Фотоника. – 2009. – № 5. – C. 30−33.Balin A. [Optical diagnostics of atmosphere]. Fotonika [Photonics], 2009, no. 5, pp. 30–33 (in Russian).Гуляев, П.Ю. Оптическая диагностика процессов горения и взрыва в порошковой металлургии / П.Ю. Гуляев [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elib/books/Files/va1998_1/pages/08_p.htm. – Дата доступа: 26.02.2015.Gulyaev P.Yu. Opticheskaya diagnostika processov goreniya i vzryva v poroshkovoy metallurgii [Optical diagnostics of combustion and explosion processes in powder metallurgy]. Available at: http:// elib/books/Files/va1998_1/pages/08_p.htm (accessed 26.02.2015).Лысенко, С.А. Методы оптической диагностики биологических объектов / С.А. Лысенко. – Минск : БГУ, 2014. – 231 с.Lysenko S.A. Metody opticheskoy diagnostiki biologicheskikh obyektov [Optical diagnostic methods for biological objects]. Minsk, BSU Publ., 2014, 231 p.Филачёв, А.М. Фотоприемники в оптико-электронных приборах и системах / А.М. Филачёв, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. – М. : Физматкнига, 2016. – 104 с.Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A Fotopriyemniki v optiko-elektronnykh priborakh i sistemakh [Photovoltaic converters in optoelectronic devices and systems]. Moscow, Fizmatkniga Publ., 2016, 104 p.Формозов, Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах / Б.Н. Формозов. – СПб. : СПбГУАП, 2002. – 120 с.Formozov B.N. Aerokosmicheskiye fotopriyemnye ustrojstva v vidimom i infrakrasnom diapazone [Aerospace photodetectors for visible and infrared ranges]. Saint Pe- tersberg, SPbGUAP Publ., 2002, 120 p.Гусев, О.К. Методология и средства измерений параметров объектов с неопределенными состояниями / О.К. Гусев [и др.]; под общ ред. О.К. Гусева. – Минск : БНТУ, 2010. – 582 с.Gusev O.K., Vorobey R.I., Zharin A.L., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L. Metodologiya i sredstva izmereniy parametrov objektov s neopredelennymi sostoyaniyami [Metodology and means of measurement for objects in indefi states]. Minsk, BNTU Publ., 2010, 582 p.Масол, И.В. Информационные нанотехнологии. / И.В. Масол, В.И. Осинский, О.Т. Сергеев. – Киев : Изд-во Макрос, 2011. – 560 с.Masol I.V., Osinsky V.I., Sergeev O.T. Informatsionnyje nanotehnologii [Informational nanotechnologies]. Kyev, Makros Publ., 2011, 560 p.Гусев, О.К. Проектирование и управление метрологическими характеристиками фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с многозарядными примесями / О.К. Гусев, А.И. Свистун, Л.И. Шадурская, Н.В. Яржембицкая // Датчики и системы. – 2011. – № 1. – С. 19–23.Gusev O.K., Svistun A.I., Shadurskaya L.I., Yarzhembitskaya N.V. [Design and management of metrological characteristics of photovoltaic converters based on semiconductors with multiply charged dopants]. Datchiki i sistemy [Sensors & Systems], 2011, no. 1, pp. 19–23 (in Russian).Глинчук, К.Д. Рекомбинационные характеристики германия и кремния, используемых в полупроводниковом приборостроении / К.Д. Глинчук, H.M. Литовченко, Е.Г. Миселюк // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. − 1978. – № 21. − С. 3−22.Glinchuk K.D., Litovchenko N.M., Miselyuk Ye.G. [Recombination characteristics of Germanium and Sihcon used in semiconductor instrumentation engineering] Poluprovodnikovaya tehnika i mikroelectronika [Semi¬conductor technics and microelectroifics], 1978, no. 21. pp. 3-22 (in Russian).Яшин, А.Н. Применимость упрощенной модели Шокли-Рида-Холла для полупроводников с различными типами дефектов / А.Н. Яшин // Физика и техника полупроводников. – 2005. – Т. 39, № 11. – С. 131−133.Yashin A.N. [Applicability of the simplified Shockley-Read-Hall model for semiconductors with different types of defects]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Semiconductors], 2005, vol. 39, no. 11, pp. 131–133 (in Russian)Vorobey, R.I. Photoelectric semiconductor converters with a large dynamic range / R.I. Vorobey [et al.] // Przeglad electrotechniczny. – 2014. – Nо. 5.– P. 5–78. doi: 10.12915/pe.2014.05.16Vorobey R.I., Gusev O.K., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L., Svistun A.I., Shadurskaya L.I., Yarzhembitskaya N.V., Kierczynski K. Photoelectric semiconductor converters with a large dynamic range. Przeglad electrotechniczny, 2014, no. 5, pp. 5–78. doi: 10.12915/pe.2014.05.16Khudaverdyan, S.Kh. Photo-detecting characteristics of double barrier structures // ELSEVIER, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. – 2003. – Vol. 504/1–3. – Р. 350–353. doi: 10.1016/S0168-9002(03)00768-XKhudaverdyan S.Kh. Photo-detecting characteristics of double barrier structures. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A, 2003, vol 504/1-3, pp. 350–353. doi: 10.1016/S0168-9002(03)00768-XСоколов, С.В. Оптический компаратор. Пат. РФ № 2020551 Кл. G06E3. – 1994.Sokolov S.V. Opticheskiy komparator [Optical comparator]. Patent RF, no. 2020551, 1994.Козлов, Ю.Ф. Структуры кремния на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение / Ю.Ф Козлов, В.В. Зотов. – М. : МИЭТ, 2004. – 380 с.Kozlov Yu.F., Zotov V.V. Struktury kremniya na sapfire: tekhnologiya, svojstva, metody kontrolya, primeneniye [Silicon-on-sapphire structures: technology, properties, methods of control, applications]. Moscow, MIET Publ., 2004, 380 p.Andreou, A.G. Silicon on sapphire CMOS for optoelectronic microsystems / A.G. Andreou [et al.] // Circuits and Systems. – 2001. – Vol. 1. – P. 22–30. doi: 10.1109/7384.963464Andreou A.G., Kalayjian Z.K., Apsel A., Pouliquen P.O., Athale R.A., Simonis G., Reedy R. Silicon on sapphire CMOS for optoelectronic microsystems. Circuits and Systems, 2001, vol. 1, pp. 22–30. doi: 10.1109/7384.963464Витязь, П.А. Наноматериаловедение. / П.А. Витязь, Н.А. Свидунович, Д.В. Куис. – Минск : Вышэйшая школа, 2015. – 511 с.Vityaz P.A., Svidunovich N.A., Kuis D.V. Nanomaterialovedeniye [Nanomaterials science]. Minsk, Vysheyshaya Shkola Publ., 2015, 511 p.Wado Н Epitaxial growth of SiGe on АІ2О3 using Si2H6 gas and Ge solid source moleeular beam epitaxy / H. Wado, К. Ohtani, M. Ishida // J.Ciystl.Growth. - 1996. - V. 169.-P.457-462, doi: 10.1016/80022-0248(97)80004-8Wado H., Ohtani K., Ishida M. Epitaxial growth of SiGe on Al2O3 using Si2H6 gas and Ge solid source molecular beam epitaxy. J. Crystl. Growth, 1996, vol. 169, pp. 457–462. doi: 10.1016/S0022-0248(97)80004-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.