Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 172 из 589 (September 3, 2010, 15:13)
172 3. Силовые полупроводниковые приборы
					устройств	представлены на			Рис. 3.161		и
		VGE = 20 В			Рис. 3.162	соответственно.			В	принципе,
	50				структуры ячеек приборов аналогичны, раз-
		15 В			личие заключается в подструктуре прибора.
	40	13 В
		11 В				Эмиттер
[A]		9 В					n+	Al
	30
Ток		7 В
					SiO2
		5 В								E
	20
	10					p	n–
	0					+	-буфер		x
		0	2	4	6	n
				Напряжение [В]

Рис. 3.159. Выходные характеристики IGBT.

ID [А] VDS [В] 12

400

10

8								300
6								200
4
2								100
0								0
0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6
				t [мкс]

Рис. 3.160. Характеристики переключения IGBT и MOSFET.

дена из прибора. В отличие от IGBT, в MOSFET этот эффект не проявляется из-за его униполярной структуры, в результате чего он имеет меньшие потери при выключении. Характеристики процесса включения аналогичны для обоих типов приборов.

PT- и NPT-технологии изготовления IGBT

Задачей производителей полупроводниковых приборов является оптимизация потерь в IGBT — либо сокращение времени протекания хвостового тока в процессе выключения, либо минимизация прямого падения напряжения.

На сегодняшний день на рынке представлены две различные структуры: IGBT со смыканием (PT (punch through) IGBT) и IGBT без смыкания (NPT (non punch through) IGBT). Поперечные сечения этих

p+

Коллектор

Рис. 3.161. PT-технология.

Эмиттер n+ Al

E

pn–

p x

Коллектор

Рис. 3.162. NPT-технология.

На обратной стороне PT IGBT имеет очень «сильный» эмиттер (p-n-p-транзисто- ра, для IGBT он является коллектором), что в проводящем состоянии приводит к заполнению прибора неосновными носителями заряда. В закрытом состоянии электрическое поле имеет трапецеидальное распределение и снижается до нуля в сильно легированной буферной n+-области. Как следствие, n–-слой может изготавливаться очень тонким. Это обуславливает низкое падение напряжения в открытом состоянии, следовательно, минимальные потери. Однако высокая концентрация дырок и электронов, когда прибор находится в открытом состоянии, приводит к появлению больших и затянутых хвостовых токов при выключении. Электронно-дырочная плазма должна быть полностью выведена из

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 173 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 173

прибора до того, как он полностью закроется. Концентрацию носителей можно понизить легированием примесью, уменьшающей время жизни носителей заряда, однако данный метод имеет один недостаток — более высокие потери в открытом состоянии.

В отличие от PT-структуры, в NPTструктуре эмиттер (p-n-p-транзистора) имеет очень слабую эмиссионную способность. Пока прибор находится во включённом состоянии, он не так сильно заполнен неосновными носителями заряда, что значительно снижает потери при выключении. Однако, когда прибор находится в закрытом состоянии, электрическое поле имеет треугольное распределение и должно полностью рассеиваться в толстой n–-области. Недостатком данной структуры являются большие потери в проводящем состоянии.

Поскольку уровень потерь влияет на выбор прибора для каждого конкретного применения, можно предложить следующие критерии выбора:

максимальное напряжение, возникающее на приборе, плюс коэффициент запаса (обычно 20%);

токовая нагрузка должна лежать в пределах области безопасной работы прибора (SOA);

корпус должен удовлетворять стандартным требованиям по трекингу (утечке тока) и искровым промежуткам;

температура перехода кристалла должна находиться в заданных пределах. Первые три критерия не требуют вычис-

лений, но при определении температуры кристалла необходимо сначала рассмотреть тепловой режим устройства, а затем рассчитать тепловые потери в приборе.

Расчёт потерь в IGBT

В качестве первого шага при определении, находится ли температура кристалла выбранного IGBT в заданных пределах, следует рассмотреть условия окружающей среды, в которых работает устройство.

Максимально допустимые тепловые потери в IGBT определяются температурой окружающей среды и условиями охлаждения наряду с максимально допустимой температурой кристалла прибора:

Pmax = TJ(max) −TA .

RthJA

Однако сложнее всего вычислить ожидаемые потери в IGBT при работе в конкретном устройстве.

Потери в IGBT можно разделить на три составляющие: потери на проводимость в открытом состоянии (Pcond), потери на пере-

ключение (Pswitch) — сумма потерь при включении и выключении — и статические

потери (PLeakage), вызванные протеканием токов утечки, которые в общем случае могут

не учитываться, так как их влияние мало:

PLeakage = ICES(VCE, Tj) VCE D,

где D — коэффициент заполнения импульсов управления.

Таким образом:

Ptot = Pcond + Pswitch.

Потери проводимости легко рассчитать, так как они определяются только семейством выходных характеристик IGBT (которые приведены в спецификации) и рабочим током устройства.

Выходные характеристики могут быть аппроксимированы двумя отрезками прямых, что почти не влияет на точность полученных результатов (Рис. 3.163).

	50
	40	VgateV ==1111ВV
		gate
[A]	30			IC
Ток
				RCE =	IC/ VCE
	20
	10		VCE
	0
	0	VTO 2	4	6
		Напряжение [В]

Рис. 3.163. Построение аппроксимирующих отрезков выходной характеристики IGBT.

Для тока трапецеидальной формы потери на проводимость могут быть рассчитаны следующим образом:

P = D 1 VTO (K i +i )+

cond 2 min peak peak

	+	1	RCE [(K min ipeak )2	+ K min ipeak2	+ipeak2 ] .
		3

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 174 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

174 3. Силовые полупроводниковые приборы

С другой стороны, расчёт потерь на пе-

Высокое tsc

реключение затруднён из-за того, что они

• Малая ширина канала

зависят от напряжения коллектор — эмит-

• Низкий коэффициент усиления p-n-p-транзистора

тер, от тока коллектора, и также от внешне-

• Низкое сопротивление базы

го сопротивления затвора. Эти соотноше-

• Высокое значение порогового напряжения Vth

ния можно взять из спецификации в каче-

стве основы для расчётов. Но точно рассчи-

Низкое значение VCE

тать потери на переключение невозможно,

• Большая ширина канала

так

как

паразитные

параметры

можно

• Высокий коэффициент усиления p-n-p-транзистора

• Малая длина канала

учесть только для конкретной испытатель-

• Тонкий эпитаксиальный слой

ной схемы и то частично.

• Низкое значение Vth

Согласно спецификации потери на пере-

• Большое время жизни свободных носителей заряда

• Больше носителей заряда

ключение могут быть рассчитаны следую-

щим образом:

Низкое значение ETS

VDC,user +

• Тонкий эпитаксиальный слой

• Малое время жизни свободных носителей заряда

Pswitch = Eon (I C ) Eon (RG,user )

• Меньше носителей заряда

Eon (RG,datasheet ) VDC,datasheet

Рис. 3.164. Компромисы при оптимизации

Eoff (RG,user )

+ Eoff (I C ) E

VDC,user

IGBT.

) V

off

(R

f .

На Рис. 3.164

представлены различные

G,datasheet

DC,datasheet

технологические

подходы

при

оптимиза-

Соотношение между потерями на пере-

ции,

учитывается дополнительный пара-

ключение

и напряжением

коллектор —

метр

—

время короткого

замыкания. На

эмиттер можно представить в виде линей-

практике, соотношение между потерями на

ной функции.

переключение и потерями в открытом со-

Для того чтобы выбранный IGBT удов-

стоянии устанавливается степенью легиро-

летворял предъявляемым требованиям, об-

вания эмиттера на обратной стороне под-

щие потери в нём должны быть меньше

ложки (p-область).

максимально допустимых потерь, опреде-

ляемых температурой окружающей среды:

600-В NPT-

Современная

Pmax Ptot.

Eoff

технология

600-В NPT-

[мкДж/А]

50

будущего

технология

Чтобы сделать оптимальный выбор, не-

45

IGBTБТИЗсснизкимнизкимVU

обходимо найти IGBT, удовлетворяющий

CE(sat)КЭ нас.

данному условию.

40

Компромиссы при выборе IGBT

35

Технология

30

Быстрыйрый БТИЗIGBT

Выбор подходящего IGBT для конкрет-

Trench Stop

25

ного приложения осложняется многообра-

20

зием технологий их изготовления и страте-

15

Сверхбыстродейб стродей--

гией оптимизации.

ствующий IGBTБТИЗ

В то время как целью при выборе

10

MOSFET

является

подбор

наименьшего

5

VCE(sat) [В]

возможного сопротивления RDS(on), при вы-

0

боре IGBT, изготовленных по одной техно-

0

1

2

3

4

логии, существует возможность изменения

Рис. 3.165. Оптимизационная характеристика

соотношения между потерями на переклю-

для различных технологий изготовления

чение (хвостовой ток) и потерями в откры-

IGBT компании Infineon.

том состоянии (VCEsat). В зависимости от

требуемой частоты переключения выбира-

На Рис. 3.165 представлены зависимос-

ется либо IGBT с минимальными потерями

ти энергии потерь на переключение от на-

на переключение, либо с минимальными

пряжения насыщения коллектор — эмиттер

потерями в открытом состоянии.

для транзисторов с блокирующим напряже-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 175 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 175

нием 600 В компании Infineon Technologies. Сплошная линия соответствует трём NPT IGBT, оптимизированным для различных приложений: сверхбыстродействующим IGBT для очень высоких частот переключения, быстродействующим IGBT и IGBT с низким напряжением VCEsat для низких частот переключения. Пунктирной линией представлена новая технология изготовления IGBT — технология Field Stop. Обе кривые располагаются параллельно, но IGBT, сделанные по новой технологии, имеют меньшие потери как на переключение, так и в открытом состоянии.

IGBT, изготовленные по технологии Field Stop (FS) или Trench Stop (TS)

Технология Field Stop для транзисторов с напряжением 600 В является эволюцией NPT-технологии. На Рис. 3.166 представлено поперечное сечение прибора, изготовленного по данной технологии. Первое значительное отличие заключается в структуре ячеек, которые имеют вертикальную, а не планарную структуру. Достоинством кон-

						n+-канал
			Металл
Trench-ячейка
Зона дрейфа						p
Обратная сторона
		Эмиттер					FS-слой
			p-типа				n-типа
				Металл
Сильно
выраженный	Слабо
эффект	выраженный					Напряженность
гашения поля	эффект
(Field Stop)	Field Stop					электрического поля

	E
	p-n-переход
	Начало гашения поля
x	x
	до смыкания
	во время смыкания
	при максимальном блокирующем напряжении

Рис. 3.166. Технология FS в ячейках с вертикальным каналом.

струкции такого типа является большее накопление носителей заряда в верхней части кристалла и, как следствие, более равномерное распределение носителей заряда вдоль прибора. Для потребителя это означает, что прибор имеет меньшее напряжение насыщения и более низкие потери в проводящем состоянии.

Второе отличие заключается в подструктуре, в которой находится n–-слой. С первого взгляда эта структура очень похожа на PT-структуру, но существуют и значительные отличия. В ней совмещены преимущества двух известных технологий: трапецеидальное распределение электрического поля в выключенном состоянии, что позволяет использовать более тонкий n–-слой и, как следствие, получить меньшие потери в проводящем состоянии, и «слабый» эмиттер на обратной стороне подложки, что позволяет получить меньшие потери при выключении, а, следовательно, и меньшее время протекания хвостового тока при выключении.

Поскольку FS-слой является слабо легированным, его основная функция — снижение электрического поля до нуля в выключенном состоянии. В открытом состоянии он не влияет на эмиттер, расположенный на обратной стороне, таким образом, последний может иметь тонкую структуру.

Для этого высокоомная подложка со сформированной лицевой стороной стачивается до толщины 70 мкм. На обратной стороне пластины с помощью ионной имплантации формируется дополнительный слой n- типа. Результирующее распределение электрического поля вдоль поперечного сечения IGBT имеет почти прямоугольную форму. Как и в случае PT-технологии, это позволяет уменьшить толщину зоны дрейфа.

Из-за использования высокоомной подложки зона дрейфа освобождается от носителей заряда при напряжениях (примерно 100 В), значительно меньших напряжения пробоя. В результате хвостовой ток срезается, поэтому общие потери определяются следующим образом:

P = ∫V (t ) I (t )dt .

Эти потери будут значительно ниже, чем в стандартном NPT-приборе, в котором хвостовые токи появляются при более высоких напряжениях.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 176 из 589 (September 3, 2010, 15:13)

176 3. Силовые полупроводниковые приборы

Таблица 3.11. Сравнение различных типов IGBT

	PT IGBT	NPT IGBT	FS IGBT
Эмиттер p-типа	Высокоэффективный	Менее эф-	Менее эффективный
		фективный
Слой n–	Тонкий	Средний	Тонкий
Дополнительный	Сильно легированный	Нет	Слабо легированный
n-слой	буферный слой		FS-слой
	Снижает эффективность		Снижает электрическое поле
	эмиттера		до нуля
	Снижает электрическое поле
	до нуля
Время жизни носите-	Короткое	Длинное	Длинное
лей заряда

Ещё одним результатом использования данной технологии является возможность снижения на одну треть толщины 1200-В прибора по сравнению с точно таким же прибором, изготовленным по NPT-техно- логии с тонкой подложкой. Это означает, что толщина уменьшается с 175 до 120 мкм.

В Табл. 3.11 суммированы различия в технологиях изготовления IGBT.

	10
	9					Планарный
				Trench NPT
	8					NPT
[мВт·с]	7
	6
off	5		Планарный		Trench
	4
E			FS		FS
+	3
on
E	2
	1
	0
	1.0	1.4	1.8	2.2	2.6	3.0	3.4
				VCE(sat) [В]

Рис. 3.167. Общие потери на переключение приборов, изготовленных по NPT- и FS-тех- нологии.

Из Рис. 3.167 ясно видно преимущество совместного использования технологии

Field Stop и ячейки с вертикальным каналом — появляется возможность значительного снижения потерь в проводящем состоянии и потерь на переключение.

Заключение

Сравнение IGBT и MOSFET выявило значительные различия в механизме потерь. Благодаря переносу заряда обоими типами носителей IGBT имеют меньшие потери в открытом состоянии, но б=ольшие потери на переключение из-за наличия хвостового тока. Новая структура должна уменьшить хвостовой ток, чтобы получить характеристики переключения, близкие к характеристикам переключения MOSFET. Из всех этих структур технология Field Stop является на сегодняшний день наиболее совершенной. При использовании данной технологии могут быть открыты новые области применения IGBT, помимо традиционной для них области — инверторов. Большое внимание уделяется использованию IGBT в импульсных источниках питания, например для персональных компьютеров или серверов.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 177 из 589 (September 3, 2010, 17:03)

4. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ4.1. Физика оптического излучения 177

4.1. Физика оптического излучения

4.1.1. Основы и терминология

В оптоэлектронике термин «свет» используется применительно к видимому и прилегающим к нему областям спектра электромагнитного излучения (360…830 нм).

Для оценки оптических свойств фотоприёмников и излучающих приборов используются фотоэлектрические и излучательные характеристики в дальнем поле. Применительно к светоизлучающим диодам (СИД) принципиальное значение имеют две характеристики. Диаграмма направленности излучения (Рис. 4.1) показывает, какое количество энергии получает фотоприёмник, расположенный на оптической оси при отклонении СИД от оси на угол . Диаграмма энергетической освещённости показывает, какое количество энергии сигнала получает фотоприёмник, расположенный на оптической оси, при перемещении СИД в плоскости, перпендикулярной оптической оси.

Сигнал 100%

ϕ

Рис. 4.1. Диаграмма направленности излучения.

Цветовая температура источника света — это температура, которую должно иметь абсолютно чёрное тело для того, чтобы вызывать цветовое ощущение источника света.

Излучающие приборы

Тепловые излучающие приборы (например, лампы накаливания) характеризуются тем, что подводимая к ним энергия преобразуется в тепло и приводит к генерации излучения. Тепловые излучающие приборы являются источниками излучения со сплошным спектром, т.е. энергия их излу-

чения распределяется непрерывно в пределах широкого диапазона длин волн.

В люминесцентных излучающих приборах (например, светодиодах) подводимая энергия является потенциальной (электроны возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости), которая и преобразуется в излучение. Этот тип приборов способен генерировать интенсивное излучение при низкой температуре. Как правило, они являются источниками излучения с линейчатым спектром.

Планковский излучатель — это идеальный излучатель со сплошным спектром (тепловой излучатель). Он определяется как нагретая полость с малым отверстием, через которое выводится излучение. Мощность излучения в этом случае определяется законом Стефана — Больцмана, а положение максимума спектра излучения — законом Вина.

Образцовый источник DIN А определяется в соответствии с IEC 306 и DIN 5033 как лампа с вольфрамовой нитью с температурой 2856 К. В видимой области спектра она аппроксимирует излучение абсолютно чёрного тела (Рис. 4.2).

Видимый диапазон спектра

шкале			Максимумы
		2400 K	спектра
линейной			излучения
			в соответствии
			с законом Вина
по		2200 K
излучения			2000 K	1800 K
Интенсивность
				1600 K
				1400 K
				1200 K
0	1	2	3	4	5
		Длина волны λ [мкм]

Рис. 4.2. Спектральное распределение излучения чёрного тела при различных температурах.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 178 из 589 (September 3, 2010, 17:03)

178 4. Оптоэлектронные приборы

Спектральная чувствительность глаза

Впределах оптического диапазона излучения от 100 до примерно 10 нм область видимого излучения простирается от примерно 380 до 780 нм. Спектральная чувствительность адаптированного к свету человеческого глаза достигает максимума в центральной зелёной области и быстро спадает в красной и синей областях. Спектральная чувствительность зрения стандартного наблюдателя протабулирована и приведена в стандарте DIN 5031.

Для человеческого глаза, адаптирован-

ного к темноте (в типичных условиях фоновой яркости < 3·10–3 кд/м), кривая чувствительности смещается примерно на 50 нм в фиолетовую область спектра.

Ввидимой области спектра для количественного описания световой интенсивности и светового потока используются люмены (лм) и канделы (кд). Эти единицы измерения основаны на особенностях восприятия излучения человеческим глазом. Для других спектральных диапазонов используются радиометрические единицы измерения (Вт/ср и т.д.).

ВТабл. 4.1 приведены все радиометрические и фотометрические параметры.

Таблица 4.1. Радиометрические и фотометрические параметры и единицы измерения

	Параметр	Единица из-
		мерения
	Радиометрия

Мощность излучения/ поток	,e	Вт
Сила излучения	Ie	Вт/ср
Энергетическая освещён-	Ee	Вт/м2
ность
Энергетическая яркость	L	Вт/м2·ср
	e
Фотометрия
Световой поток	,v	лм
Сила света	Iv	лм/ср = кд
Освещённость	Ev	лм/м2 = кд
Яркость	L	кд/м2
	v

Поток излучения

Поток излучения — это полная мощность (в Вт) излучения. Световой поток (в лм) — это поток излучения, воспринимае-

мый глазом с чувствительностью Vlambda. Ниже приведены некоторые типичные

значения.

1 м2 поверхности солнца: ,e = 60 МВт.

Флуоресцентная лампа на 40 Вт: ,v = 750…3200 лм.

Лампа накаливания на 100 Вт: ,v = 1600 лм.

Красный светодиод:

,v = 5 лм при токе 50 мА.

Вобласти максимальной чувствительности глаза при 555 нм значению 1 Вт потока излучения соответствует световой поток в 683 лм.

Сила излучения

Сила излучения Ie (единица измерения Вт/ср) — это поток излучения в пределах телесного угла в 1 стерадиан. Связанный с этим параметр, учитывающий чувствитель-

ность глаза Vlambda, называется силой света Iv (единица измерения — кандела, кд;

1 кд = 1 лм/ср). Типичные значения:

Лампа накаливания в 100 Вт: Iv = 110 кд.

Фара мощностью 100 Вт: в направлении излучения Iv может составлять вплоть до 106 кд.

Для полупроводникового лазера на длину волны 880 нм и мощностью 2 мВт (без использования дополнительной оптики): Ie = 2…5 мВт/ср.

СИД для индикации (10 мА): Iv = 1…1000 мкд.

ИК светодиоды для дистанционного управления (100 мА):

Ie = 10…300 мВт/ср.

Телесные углы

Телесный угол 4 (единица измерения — ср) охватывает часть пространства, ограниченную лучами, исходящими в виде конуса из точки P (т.е. из источника лучей) и заканчивающимися на закрытой поверхности пространства. Если эта поверхность лежит на сфере (радиусом в 1 м) с центром в точке Р и если площадь этой поверхности составляет 1 м, то соответствующий телесный угол 4 = 1 стерадиан (1 ср), 4 = A/ R2 (Рис. 4.3).

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 179 из 589 (September 3, 2010, 17:03)

4.1. Физика оптического излучения 179

				4.1.2. Фотодиоды
Источник света	A		9 м2	Когда фотоны с достаточной энергией
				проникают в фотодиод, в полупроводнике
с силой излучения Ie	4 м	2		рождаются электронно–дырочные пары
или с силой света Iv
				(внутренний фотоэффект). Электрическое
1 м2
				поле в области объёмного заряда разделяет
				данные пары, несущие заряд. В результате
				во внешней цепи возникает ток (Рис. 4.4).

1 м

R2 м

3 м

Рис. 4.3. Определение телесного угла 4 = 1 ср (стерадиан).

Энергетическая яркость

Энергетическая яркость Le (единица измерения — Вт/м2·ср) есть поток излучения в единичном телесном углу, отнесённый к единичной площади. Связанная с этим параметром фотометрическая величина называется яркостью Lv (единица измерения — кд/м2). Человеческий глаз воспринимает различия яркости как вариации яркости. Яркость измеряют в нитах, ламбертах и футламбертах.

Типичные значения:

для поверхности солнца: 1.5 109 кд/м2.

для нити накаливания: 5…35 106 кд/м2.

для современной флуоресцентной лампы: 0.9…2.5 104 кд/м2.

для ночного неба: около 10–11 кд/м2.

Освещённость

Энергетическая освещённость Ee (единица измерения — Вт/м2) есть падающий поток излучения, отнесённый к площади принимающей поверхности. Связанная с этим параметром фотометрическая величина называется освещённостью Ev (единица измерения — люкс; 1 лк = 1 лм/м2) или футкандела (10.76 лк).

Типичные значения:

солнечный свет в полдень: максимально 100 мВт/см2, 100 000 лк.

рабочее место в офисе: 500 лк.

лунная ночь: 0.2 лк.

Для образцового источника излучения согласно стандарту DIN А освещённости в 1000 лк соответствует энергетическая освещённость 4.76 мВт/см2.

Фотоны различной длины волны

Красный Инфра-
Голубой	красный	Контакт
Оптическое		Область p+
покрытие		Контакт
	W
Область
пространственного
заряда
Металлический	Область n+	Область n–
контакт

Рис. 4.4. Структура планарного кремниевого фотодиода.

С точки зрения электрического функционирования различают фотодиодный режим (режим с напряжением смещения VR, квадрант В) и фотовольтаический режим (квадрант А). Фотовольтаическая ячейка выполняет функцию генератора тока и преобразует энергию излучения в электрическую энергию (Рис. 4.5).

I, V	I
		Темновая
		ВАХ
		VL (Напряжение
		холостого хода)
VR
		V
B	A	ВАХ в условиях
		засветки
	IK (ток короткого замыкания)
		Нагрузочная прямая

Рис. 4.5. ВАХ фотодиода.

Напряжение холостого хода VL не зависит от площади фотодиода и логарифми-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 180 из 589 (September 3, 2010, 17:03)

180 4. Оптоэлектронные приборы

чески возрастает с увеличением освещённости, при этом для кремниевых диодов данный параметр возрастает примерно до 0.5 В при освещённости 1000 лк. Ток короткого замыкания IK пропорционален освещённости и площади фотодиода. Допустимое обратное смещение имеет малую величину (приблизительно 1 В), так что работа фотодиода при обратном смещении возможна лишь в определённых границах.

Для извлечения из фотодиода максимальной мощности величина сопротивления нагрузки должна составлять порядка VL/IK.

4.1.3. Кремниевые фотодиоды

При соответствующих размерах кремниевые фотодиоды имеют очень малый уровень плотности темнового тока (< 10-11 А/мм2). Следовательно, их можно использовать для детектирования излучения с малым уровнем освещённости. Однако они не обладают достаточным быстродействием, так как носители заряда должны сначала диффузионно пройти в узкую область пространственного заряда, сформированную легированием. Образуемый ими фототок пропорционален освещённости в пределах нескольких декад.

Когда решающее значение имеет быстродействие, используются кремниевые p-i-n- фотодиоды. В данном случае б=ольшая часть света преобразуется в сравнительно широкой области пространственного заряда, при этом при соответствующем напряжении смещения носители заряда дрейфуют со скоростью насыщения (приблизительно 50…100 км/с). Из-за большой ширины области пространственного заряда ёмкость p-i-n-фотодиодов мала (несколько пФ), так что при использовании малого сопротивления внешней нагрузки можно добиться очень малой величины постоянной времени.

Чувствительность фотоприёмников S есть отношение фототока к мощности падающего излучения или светового потока, при этом она зависит от длины волны и имеет разные значения для различных полупроводников. На Рис. 4.6 показаны спектры чувствительности S (единица измерения — А/Вт) для фотоприёмников на основе германия и кремния.

Видно, что кремний с максимальной чувствительностью на длине волны около 850 нм хорошо согласуется со спектром из-

100			GaAS
	GaP:N
			GaAS
			GaAS:S
	80
[%]	Глаз
			Германиевый
Чувствительность	60		диод
		GaAS0.15P0.85:N
	40
			Кремниевый
			диод
	20	GaAS0.35P0.65:N
		GaAS0.6P0.4
	0
	200	500	1000	1500	2000
	УФ-	Видимый	Ближний		Средний
диапазон		диапазон	ИК-диапазон	ИК-диапазон
		Длина волны [нм]

Рис. 4.6. Относительные спектры чувствительности различных фотодиодов.

лучения GaAs, тогда как германий с широким максимумом спектра чувствительности вблизи 1.5 мкм перекрывает среднюю инфракрасную область вплоть до 2 мкм. Кроме того, имеется целый набор полупроводниковых соединений, позволяющих оптимизировать фотоприёмники (в виде фотодиодов и фоторезисторов) и расширить их спектральные характеристики в среднюю инфракрасную область (например CdS, PbS, InSb, GaInAsP, HgCdTe и т.д.).

4.1.4. Фототранзисторы

В фототранзисторе переход коллектор — база сконструирован так же, как в фотодиоде. Его фототок, умноженный на коэффициент усиления транзистора (приблизительно от 100 до 1000), является коллекторным током. Таким образом, фототранзисторы обеспечивают большой уровень сигнала

итребуют меньшего последующего усиления по сравнению с фотодиодами. Однако их передаточная характеристика менее линейна (из-за нелинейности усиления тока)

иони обладают более низким быстродействием из-за эффекта Миллера в сочетании с достаточно большой площадью перехода коллектор — база (Рис. 4.7).

Среднее число пар носителей заряда, генерируемых одним фотоном, называется

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 181 из 589 (September 3, 2010, 17:03)

4.1. Физика оптического излучения 181

SiO2

Эмиттер База

Si3N4

точника света, которым, как правило, явля-

ется образцовый источник DIN А. С другой

Al

SiO2

стороны, фоточувствительность фотопри-

ёмников для регистрации

инфракрасного

излучения выражается в мкА. Этот пара-

p

n+

метр измеряется в условиях определённой

Область

освещённости (например, 0.5 мВт/см2) на

пространственного заряда

определённой

длине

волны

(например,

n

950 нм).

Коллектор

В случае детекторов очень слабых сигна-

лов первостепенный интерес представляет

такой параметр, как мощность, эквивалент-

ная шуму (Noise Equivalent Power— NEP),

выражаемая в Вт/7Гц. Этот параметр задаёт

E

мощность излучения,

генерирующую на

выходе фотоприёмника такой сигнал, кото-

Фоточувствительная

рый имеет такую же величину, как и шум.

В данном случае имеют значения условия

площадь 0.2 мм2

измерения (диапазон длин волн, частота

B

модуляции, ширина полосы). Этот пара-

метр учитывает, с одной стороны, то, что

ток сигнала пропорционален интенсивнос-

ти оптического сигнала, а с другой сторо-

ны, — что проявляющиеся механизмы шу-

Рис. 4.7. Биполярный фототранзистор.

ма вызывают

шумовой

ток,

пропорцио-

нальный 7 f.

квантовой эффективностью 5. Максималь-

Параметр, обратный NEP, для заданной

но достижимая чувствительность Smax фото-

площади фоточувствительной поверхности

приёмника без внутреннего усиления могла

А, называется обнаружительной способнос-

бы быть достигнута при 5 = 1, т.е. когда

тью D* (или пределом детектирования):

каждый падающий фотон создавал бы пару

A

см/Гц

носителей заряда. Все носители заряда со-

D* =

бираются и таким образом создают фото-

.

NEP

Вт

	ток. Поскольку энергия фотона
									h c		Термин темновой ток относится к току,
							E =				который протекает в отсутствии засветки.
									λ		В случае фотоприёмников — это обратный
	(e0 — заряд электрона, 6 — длина волны,										ток диода. В случае фототранзисторов и фо-
											тодарлингтонов — это усиленный ток утеч-
	h — постоянная Планка), то из этого следу-										ки перехода коллектор — база, который ра-
	ет, что										ботает как фотодиод. Темновой ток возрас-
			e0			λ					тает с температурой (в случае Si примерно
	Sλmax	=		=			(А/Вт) (6 выражена в мкм).				удваиваясь при изменении температуры на
			E		1.24						10 К), что может сказываться в случае фото-
	Таким образом, максимальное значение										транзисторов и, в особенности, в случае фо-
											тодарлингтонов.
	чувствительности							линейно возрастает с
	длиной волны. Реальные фотодиоды могут										4.1.5. Светоизлучающие диоды
	обладать			чувствительностью, составляю-
											Светоизлучающие диоды представляют
	щей 90% от этой величины при 6 = 850 нм.
	В случае фотоприёмников дневного или										собой полупроводниковые диоды, генери-
	искусственного света практический инте-										рующие излучение при протекании через
	рес	представляет						фоточувствительность,			них прямого тока. Этот процесс включает в
	выраженная в нА/лк. Данный параметр										себя инжекцию избыточных носителей за-
	связан с освещённостью от конкретного ис-										ряда в n- и p-области, где часть из них ре-