Преимущества фоторезисторов на PbS

Преимущества фоторезисторов на основе тонких плёнок
особо чистого и стехиометрического сульфида свинца.

    Нами впервые в мире (1985 г.) получены   плёнки стехиометрического и особо чистого сульфида свинца с содержанием примесей не более 10-10% (обычно 10-3%). Собственная проводимость носителей при холловской ширине запрещенной зоны в 0,34 ЭВ измерена-обнаружена  при температурах до 130К включительно.  Наши бескислородные тонкоплёночные фоторезисторы из особо чистого сульфида свинца, отличаются по параметрам от существующих (кислородно сенсибилизированных) и приближаются по надёжности и стабильности параметров к кремниевым монокристаллическим фотодиодам и фототранзисторам. Пленки сульфида свинца такого качества были получены в процессе продолжения наших исследований по  синтезу  и изучению свойств пленок в системе CdS-PbS [1-5]. В этой системе в результате целенаправленной работы автора (Р.Д.М, 1975г.,Уральский ПИ им. С. М. Кирова)  были впервые в Мире  получены фотопроводящие пленки CdxPb1-xS состава x≤0,16 с собственной проводимостью до 200К (ниже измерения не корректны ввиду превращения полупроводника в изолятор).
В дополнение к техническим характеристикам (см. рекламные описания на одно элементные и многоэлементные фоторезисторы) мы хотели бы обратить внимание на следующие свойства наших фоторезисторов.
1. Высокая надёжность и стабильность комплекса параметров фоторезисторов в течение длительной эксплуатации, изменение параметров в течение 15 лет не превышает -10 ~ +20 %. Высокая стабильность параметров при термоударах.
2. Изменение параметров при комнатной температуре (+22 °С) после воздействия низких и высоких температур (термоциклов -60 ~ +60 % °С) не превышает ±2% и ±6% соответственно.
3. Изменение параметров фоторезисторов в зависимости от температуры характеризуется высокой повторяемостью при разных термоциклах. Практически одинаковы температурные характеристики для фоторезисторов, изготовленных из одной подложки. Близки также температурные характеристики у фоторезисторов с разных подложек, но с одинаковыми значениями постоянной времени и темнового сопротивления.
Для многоэлементных фоторезисторов разброс параметров по элементам уменьшается после термоциклов, при измерении как при +22 °С, так и в диапазоне температур от -60 до + 60°С.
4. После сильного освещения (2000 люкс от источника типа «А» — лампа накаливания при 2840К) ухудшение чувствительности и увеличение темнового сопротивления не превышает 3-8% и быстро восстанавливается. Постоянная времени и чувствительность восстанавливаются по уровню 0.98 не более чем за 20 минут.
Это позволяет реализовать динамический диапазон по оптическому входу свыше 120 децибел (более миллиона раз). Фактически это означает, что на фоне постоянного излучения раскалённой до соломенно-желтого цвета стенки внутри промышленного энергетического котла можно наблюдать флуктуации факела пламени с энергией в миллион раз меньшей.
5. Предлагаемые фоторезисторы отличаются от известных аналогов по следующим параметрам:
5.1-максимум спектральной чувствительности сдвинут в длинноволновую область и находится в диапазоне(2,35-2,55) мкм, а красная граница фоточувствительности в 3,1-3,2 мкм (по уровню 10% от максимума) для фоторезистора с однослойной очень тонкой (~0,5 мкм вместо 1-2,5 мкм) пленкой;
5.2-высокое быстродействие, т.е. малая постоянная времени 50-75мкс (вместо известных 200-500 мкс);
5.3 -высокая токовая чувствительность в максимуме (2.5мкм) спектральной характеристики, 4-7 А/Вт вместо обычного 0.3 А/Вт;
5.4 -низкое темновое сопротивление, 25-100 кОм/ϒ (вместо 300-1500 кОм/ϒ);
5.5 Низкое темновое сопротивление при высокой токовой чувствительности позволяет выносить наш фоторезистор на длинном (до 10м) кабеле (без предусилителя) в необходимую для измерения точку.
6. По обнаружительной способности (2,5-5.0) 1010 см•Вт-1•Гц0.5  при 295К наши фоторезисторы занимают среднее положение по сравнению с существующими в мире, уступая самым лучшим в 1,8—2,2 раза.
Но высокая обнаружительная способность известных лучших фоторезисторов на основе сульфида свинца обеспечивается за счёт высоких значений постоянной времени и темнового сопротивления (см. пункт 5.2 и 5.4 выше).
Увеличение темнового сопротивления как правило приводит к ухудшению надежности, то есть самые чувствительные фоторезисторы являются самыми нестабильными. В серийном производстве это требует отбраковки с длительными циклами повторных измерений, что резко увеличивает цикл производства и стоимость.
7. При термоэлектрическом охлаждении обнаружительная способность наших фоторезисторов растёт быстрее, чем для известных, и известные предельные характеристики для фоторезисторов на основе сульфида свинца при 196К, достигаются для наших фоторезисторов уже при температуре 225-К, а темновое сопротивление фоторезисторов при этом не превышает 700 кОм/п, что существенно уменьшает электрические помехи при усилении фотосигнала. Уже при двухкаскадном термоэлектрическом охлаждении (245К) наши фоторезисторы из особо чистого сульфида свинца по всем параметрам превосходят существующие.
8. Наши многоэлементные фоторезисторы (см. рекламное описание 64-элементного фоторезистора) отличаются от существующих улучшенной однородностью параметров по элементам: так, разброс параметров для элементов 64-элементного фоторезистора находится в пределах от ±3% до ±8% для всех параметров фоторезистора (для лучших).
Наша высокопроизводительная оригинальная технология получения бескислородных полупроводниковых пленок сульфида свинца, и изготовления на их основе тонкопленочных фоторезисторов делает доступными многоэлементные фоторезисторы прекрасного качества для всех отраслей промышленности и по приемлемым ценам. Многоэлементные (64 элемента) фоторезисторы можно изготавливать почти так же, как кремниевые микросхемы.
9. Наши технологические процессы получения полупроводникового сульфида свинца и изготовления фоторезисторов не нуждаются в использовании дорогостоящих в приобретении и эксплуатации сверхчистых цехов и вакуумного оборудования.
10. Все вышеописанные достоинства наших фоторезисторов позволяют разработать и серийно производить для промышленности как известные датчики и приборы с улучшенными характеристиками, так и новые. Ранее эти датчики и приборы не могли разрабатываться для целей серийного производства ввиду низкой надёжности и стабильности параметров фоторезисторов на основе сульфида свинца, а также высокой стоимости многоэлементных фоторезисторов.

Конкретные применения.

    На основе наших фоторезисторов PbS для исследовательских и промышленных целей были созданы и поставлены заказчикам для  научного и промышленного использования следующие фотоприёмные устройства:
1. Пожарный датчик открытого пламени диапазона 1.0-3.3 мкм, помехоустойчивый  к естественному и искусственному освещению, не имеет аналогов в мире по комплексу параметров (см в интернете  «Спектрон» и  «Пульсар»).
 2. Пожарные датчики для обнаружения дыма, промышленные и квартирные, с очень высокой помехоустойчивостью к оптическим и электромагнитным помехам.
3. Датчики пересечения невидимого ИК-луча, активные, для охранной сигнализации и промышленности с очень высокой помехоустойчивостью к оптическим помехам и низким электро потреблением при напряжении 12 и 24 вольта.
4. Датчики контроля непрерывности и качества горения газовых факелов промышленных котлов, крупных энергетических и технологических установок (например, для нагревания реакторов в химической промышленности).
 5. Двухканальные датчики контроля загрязнения воды для систем удаления шлама при водоподготовке на теплоэлектростанциях. Это  Сигнализатор Шламового Режима СШР-91/1-3.
 6. Приборы оптические десяти канальные для контроля процесса упаковки сигарет в пачки для табачной фабрики Екатеринбурга.
7. Датчики для обнаружения и приборы для измерения длины металлического проката на скоростях до 10 м/сек с точностью 0.05 м при длине до 12 м с использованием собственного излучения нагретого до температуры 300-800 °С проката.
 8. Измерители мощности импульсных ультрафиолетовых лазеров; многоэлементные фотоприёмники для измерения распределения энергии по сечению пучка лазера, юстировки положения пучка.
9. Фотоприёмные устройства для приборов, измеряющих концентрацию сахара в жидкостях, и измеряющих влажность по отраженому свету от поверхности объектов.
10. Фотоприёмные устройства и многоэлементные фоторезисторы для многоспектрального параллельного оптического анализа в геологии, цветной металлургии, для аэрокосмической техники, и других областях для научных исследований и контроля промышленных процессов. Использовались одно- и двухэлементные, четырёхэлементные (в том числе квадрантные), 16-элементные, 32-элементные, 64-элементные (рекламное описание для 64-элементного фоторезистора прилагается).

Список литературы.

1. Мухамедьяров Р.Д., Стук В.И., Блинов О.Ю., Жуков В.Н., Китаев Г.А. «Установка для измерения пороговых параметров фотоприемников».-Приборы и техника эксперимента, 1976, № 6, с. 234.

2. В.И. Стук, Р.Д. Мухамедьяров, В.Н. Жуков, О.Ю. Блинов «Модулятор лучистого потока с синхронным двигателем», Оптико-механическая промышленность, 1977, № 3.

3. Р.Д. Мухамедьяров,  В.И. Стук, Г.П. Фадина, Г.А. Китаев «Оптоэлектронные устройства на основе быстродействующих тонкопленочных фоторезисторов CdхPb1-хS». Электронная техника. Серия 10. Выпуск 3(15). Микроэлектронные устройства. 1979.

4. Р.Д. Мухамедьяров,   Г.А. Китаев. «Параметры полупроводниковых сверхструктурных соединений Cd1Pb15S16  и  Cd5Pb27S32». Письма в ЖТФ, том 6, вып. 21., 1980 г., «Наука» Ленинградское отделение.

5. Мухамедьяров Р.Д., Китаев Г.А., Маркова В.М., Стук В.И. «Исследование кинетики роста полупроводниковых пленок CdхPb1-хS при химическом осаждении из водного раствора». Неорганические материалы, том 17, № 10, Москва, Известия Академии наук. 1981.

6. Т. Мосс, Г. Барелл, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника, пер. с англ., «Мир» (1976).

7. Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А. Смирнов «Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PbTe, PbSe и PbS», изд-во «Наука», Главн.ред.физ.-матем. лит., М., 1968 г