Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

331

Отрезок О-а, отмеченный на рис. 14.8 показывает величину тока КЗ, освещенного p-n-перехода (по направлению этот ток совпадает с обратным током диода). Отрезок О-б – соответствует UХХ, т.е. величине генерируемой им фотоЭДС. Участок между точками а и б (IV квадрант) представляет собой В– А характеристику диода в ФГрежиме.

Фотодиодный режим соответствует III квадранту (рис. 14.8). Семейство В– А характеристик ФД эквидистантно.

Первая характеристика – цифра 1 на рис.

14.8 соответствует темновому току ФД, т.е. обратному току через не освещенный p-n-переход IT = I S . Вторая характеристика (2) - освещенному диоду. Эквиди-

стантность заключается в том, что одному и тому же	Ф соответствует одина-
ковое IФ.

14.2. Параметры фотоприемников

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. Она отражает изменения электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

Всоответствии с характеризующим параметром различают чувствительно-

сти фотоприемника к потоку излучения SФе, к световому потоку SФv, к облученности SEе и к освещенности SЕv.

Взависимости от измеряемого параметра на выходе фотоприемника разли-

чают токовую SI и вольтовую чувствительности SU фотоприемника. Примеры определения статической чувствительности фотоприемника приведены в выражениях:

SIФv	= IФ / Фv ;	SIEv	= IФ	/ Ev	;
	= UФ / Фe ;				(14.16)
SUФe		SUEe = UФ / Ee ;

где SIфv – токовая чувствительность к световому потоку; SIЕv - токовая чувствительность к освещенности;

SUфе – вольтовая чувствительность к монохроматическому потоку излучения; SUеEv - вольтовая чувствительность к потоку облученности.

Дифференциальная чувствительность определяется отношением малых приращений измеряемых величин, например, дифференциальная токовая чувствительность фотоприемника к освещенности:

SIEv = IФ / E v
.	(14.17)

332

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохроматическую (спектральную) чувствительность фотоприемника к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава.

Квантовый выход внутреннего фотоэффекта h1 определяется числом неравновесных носителей (пар), созданных каждым поглощенным фотоном.

Скорость генерации неравновесных носителей G – определяется числом неравновесных носителей, возникающих в 1см3 материала за 1 секунду при его облучении и определяется:

G(x ) = h1	a × Ф1	(х)
			.	(14.18)
	hn

В области собственного поглощения (h1=1) при Ф1-const скорость генерации уменьшается с ростом частоты. Фототок и чувствительность пропорциональны G и имеют примерно ту же зависисмость от частотырис. 14.9,а.

Инерционность фотоприемников. Инерционность зависит о различных причин и может быть охарактеризована постоянными времени нарастания и спа-

да фототока. Если фототок растет по закону

IФ = Iмах × [1 - exp(- t / t1 )], а спадает по закону

IФ = Iмах × [1 - exp(- t / t2 )], то t1

– постоянная времени нарастания, а t2 - –

постоянная времени спада (рис. 14.9,б).

Ф,Iф

S1,η1

η1

Ф

Iм

IФ

S1

1

Iм 1 −

e

I м

ν

e

t

hν

t1

б)

t2

а)

Рис. 14.9. а) зависимость S1 и η1 от энергии фотонов; б) – изменение

фототока Iф со временем.

У одних приемников фототок полностью определяется величиной G(х) и объемом материала, в котором происходит поглощение света, у других – величиной G(х)× Z(E), где Z(E) – коэффициент усиления, зависящий от напряженности поля Е.

333
Токи, идущие через фотоприемник	в темноте и при освещении, испытыва-
ют шумовые (случайные) отклонения I	от среднего значения тока						. Так как от-
					I
клонения имеют разные знаки и их среднее значение равно D			= 0 ,	то мерой слу-
		I
чайных отклонений является среднее значение квадрата отклонения								2 .
							I

Вследствие хаотичности теплового движения свободных носителей (электронов) их концентрация в различных участках полупроводника изменяется со временем. Связанные с этим колебания возникающей ЭДС и тока пропорциональны температуре Т и определяют среднеквадратичную составляющую тока,

обусловленную тепловыми шумами:

I 2 = 1 kT f , (14.19)

R

где R – сопротивление образца, f - полоса частот.

Дробовой шум вызван колебанием числа электронов, проходящих через прибор при постоянном внешнем напряжении (Среднеквадратичная составляющая тока, обусловленная током сигнала):

		2 = 2eI f .
I			(14.20)

Шум такого типа определяется случайным характером процессов генера-

ции, рекомбинации и диффузии электронов и дырок.

Пороговая чувствительность. Это уровень светового потока Фп, когда сиг-

нал равен шуму, т. е.		ф2 =			2 . Т. к.				2 и Фп могут зависеть от площади S при-
	I			I				I
емника и полосы f , тоFп			=			Φп	,		(14.21)
						S × Df

где Φ - приведенный пороговый поток.

14.3.Типы фотоприемников

14.3.1.Полупроводниковые фотоприборы

Фоторезисторы. При освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается. Это явление называется фотопроводимостью, а соответствующий прибор – фоторезистором. Схема наблюдения фотопроводимости показана на рис. 14.10,а.

x	Ф
	Iф		ЕС
а	y	U2>U1
	b
		G	R
		U1
U	I	Ф	ЕV
	0

а)	б)	в)

Рис. 14.10.-Фотопроводимость: а-схема наблюдения; б-фототок при раз-

	334
Если под действием света возни-	кают только электроны в зоне прово-
димости, то добавочный ток (фототок):
Iф = e n фVd ×S ,		(14.22)
	Vd = mE ,	(14.23)

где Vd – дрейфовая скорость, е – заряд электрона, nф – концентрация неравновесных (избыточных) фотоэлектронов, µ – подвижность электронов, E – напряженность поля, S – сечение образца.

Если свет создает электронно-дырочные пары, то возникает и дырочная составляющая фототока. В большинстве случаев достаточно рассматривать

фототок, связанный с носителями одного типа.

Концентрация фотоэлектронов определяется скоростью генерации и временем жизни в зоне проводимости:

	nф = Gt .				(14.24)
	При этом у освещенной поверхности (х = 0) скорость генерации будет опреде-
	ляться как	αФ1	(0)
	G(0) = h1			,	(14.25)
		hn

Ф1(0) – плотность падающего потока. Полагая, что генерация идет равномерно по объему в слое полупроводника толщиной х* (в этом случае поглощается 23 фо-

тонов), получим:

I	ф	= qh a	Ф1 (0)	tV a × x .	(14.26)
		1	hn	d

	Так как α =	1	,	произведение tV имеет смысл расстояния у, которое проходит
		x
				d
	электрон за время τ , фототок						Ф
				I		= qh			y	,	(14.27)
					ф
						1 hn b

где y = τVd = τμE .Фототок растет с увеличением Ф и напряженности поля Е (или

напряжения U = bЕ).

Экспериментальные зависимости Iф (Ф) показывают ослабление зависимости между Iф и Ф при больших световых потоках (см. рис. 14.10,б). Это связано с тем, что при больших Ф и соответствующих nф время жизни τ электронов уменьшается, например, из-за роста при освещении концентрации носителей противоположного знака (в данном случае дырок).

В области собственного поглощения с увеличением частоты может наблюдаться уменьшение Iф, связанное с падением τ в тонких слоях полупроводника у поверхности вследствие более быстрой рекомбинации носителей через локальные энергетические состояния.

Инерционность фоторезисторов определяется часто не столько временем жизни τ, сколько участием ловушек (рис. 14.10,в). После попадания электронов в полосу проводимости они могут захватываться пустыми уровнями примесей или дефектов решетки, причем время нахождения электронов на этих уровнях растет с ростом их глубины и с понижением температуры. Только после теплового освобождения электронов они могут рекомбинировать с дырками (переход R). Про-

U в несколько

335

цессы захвата носителей ловушками («прилипание» электронов и дырок) затягивает рост фототока после включения света и спад после его выключения.

В результате фоторезисторы обладают большей инерционностью, чем другие ФП. Как это обстоятельство, так и температурная зависимость параметров резисторов ограничивает их использование.

Фоторезисторы могут иметь в качестве чувствительного элемента монокристалл полупроводника, пленку полупроводника на диэлектрике или таблетку прессованного порошкообразного материала. Последний способ применяют, например, при изготовлении промышленных фоторезисторов из сульфида или селенида кадмия. Фоторезисторы CdSe имеют темновое сопротивление ~ 106 Ом, максимум спектральной характеристики в области λмакс = 0,7мкм, работают при U = 20В и имеют постоянные времени роста и спада фототока τ1 = 40мс и τ2 = 20мс. Их интегральная чувствительность при использовании общего излучения тепло-

	вого источника света с цветовой температурой 2840 К составляет S1	= 600	mA
			лм

(при освещенности 200 лк).

Фоторезисторы на основе сульфида свинца являются менее инерционными (τ = 0,1мс) и обладают высокой обнаружительной способностью D* (2,4 мкм, 780 Гц, 1 Гц ) = 1,5·1011 см·Гц1/2 ×Вт-1 при 295 К. Понижение температуры приводит к росту D*.

Фотодиоды (ФД) с p-n-переходами. В ФД с p-n-переходом разделение генерированных оптическим излучением неравновесных пар носителей осуществляется на p-n-переходе. При этом возможны два режима работы ФД.

1. Гальванический режим (рис. 14.11,а) – на фотодиод не подается внешнее питание, а нагрузкой является высокоомный индикатор – регистрируется фото-ЭДС; нагрузкой служит низкоомный индикатор – регистрируется фототок. В

этом случае фотоэлектроны не накапливаются в n-области,	а так как напряжение
Uф = 0, то фототок, проходящий через переход (Iф) равен:
Iф = −I , Iф ~ Ф0,	(14.28)

В таких условиях диод работает как фотоэлемент. Например, солнечные батареи на кремнии Si (∆E = 1,1 эВ). Здесь все фотоны солнечного излучения способны создавать электронно-дырочные пары. Фото-ЭДС таких ФЭ составляет несколько десятых долей вольта.

Поэтому их часто соединяют последовательно для получения вольт.

	p
			n	UФ Iф
			ЕС	Iф
	G		Еf	Uф
		G
			q
Ef
Ev			Uf
				Ф
			a)	б)

Рис. 14.11. а)- p-n-переход при освещении, но в отсутствии внешнего напряжения (U); б) зависимость IФ и UФ от Ф.

На рис. 14.11,б изображены световые характеристики для фотогальванического и фотодиодного режимов.

2. Фотодиодный режим работы – на ФД подается обратное напряжение, при этом обратный ток диода в широких пределах линейно зависит от падающего светового потока, нагрузка диода высокоомная. Этот режим применяется при использовании ФД в качестве входного элемента электронных устройств (операционные усилители и усилители постоянного тока).

Таким образом, если p-n-переход включен в запирающем направлении, то практически все напряжение будет падать на обедненной области, шириной d и схема энергетических зон приобретет вид, показанный на рис. 14.12.

Теперь разделение электронов и дырок, возникающих при освещении, производится более сильным полем, а ширина области высокого сопротивления уве-

личивается (d ~ U ). Это увеличивает ту часть кристалла, из которой электроны и дырки быстро выводятся полем.

Пример: Если дрейфовая скорость электронов V =1×106	cм	, d =10−4 cм,
d	c

то время пролета электронами области поля τ i = 1 ×10 −10 c . С такой же быстротой

эта составляющая фототока будет следовать за изменением интенсивности света. Однако через переход проходят и электроны (дырки), рожденные светом в слоях l1 и l2 и достигшие перехода путем диффузии. Соответствующие времена гораздо

больше ( tд »1×10−7 с) и именно они могут

определять инерционность ФД. Для ослабления этой составляющей фототока p-n- переход следует формировать у самой освещенной поверхности (уменьшая толщину х1 слоя p-типа).

Так как большая часть света поглощается на глубине x = 1α (α – коэффициент

поглощения) то при x1 ≈ 0 и d = x роль

света, поглощенного в слое l2, и приходящих оттуда дырок также ослаблена (рис. 14.12). Графики вольт-амперных зависимостей p-n-

перехода при различных световых потоках приведены на рис. 14.13.

337	(U < 0 )
При включении перехода в запирающем направлении		и при
qU >> kT ток будет определяться выражением
I = −( I н + I ф ).		(14.29)
При увеличении Ф, фототок Iф увеличивается и может значительно превысить
темновой ток (Iф>Iн) .		+ d + l2
Если весь световой поток Ф, падающий на ФД, поглощается в слое x1

(т. е. эта толщина больше 2х*), то все возникшие электроны и дырки примут участие в создании фототока и

Iф = e η1Ф / hν ,

(14.30)

где η1 - квантовый выход процесса генерации электронно-дырочных пар.

Поскольку ФД работают при сравнительно высоких обратных напряжениях, то с целью повышения напряжения пробоя их изготавливают из монокристаллических материалов Толщина базы фотодиода (т.е. глубина залегания p-n- перехода) делается обычно значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, поэтому почти все генерируемые светом носители разделяются полем перехода, не успев рекомбинировать. Постоянная времени ФД определяется временем диффузии электронов через базу. И при толщине базы несколько мкм может составлять ≈10-8 с.

Пути улучшения частотных свойств ФД:

1.Уменьшение толщины базы до 1-2 мкм.

2.Так как коэффициент диффузии электронов Dn>Dp, выгодно в качестве базы использовать р- область ( в которой электроны – неосновные носители).

3.Уменьшение емкости p-n-перехода и конструктивной емкости фотодиода.

Кроме германия (Ge) и кремния (Si) для изготовления ФД используются и другие материалы ( GaAs; CdS, CdTe, AlSb, InP, InSb, InAs и др.)

Физические явления и ВАХ диода с p-n-переходом подробно были рассмотрены в разделе 14.1.1. Чтобы полностью исключить поглощение света правее перехода, можно увеличить d до 2х*. Например, в полупроводниках типа p-i-n.

Р-i-n-фотодиод. Уменьшение толщины базы ограничено трудностями. Улучшение частотных характеристик ФД может быть получено при использовании гетеропереходов или барьеров Шоттки.

В гереропереходах, освещаемых со стороны широкозонного полупроводника, поглощение излучения происходит не в базе, а в области, лежащей ниже перехода, и в самом переходе. База служит лишь своеобразным светофильтром и защитным слоем, толщина её может быть сделана достаточно большой без ухудшения частотных характеристик ФД. Конструкции p-i-n- фотодиодов изображены на рис. 14. 14,а и б.

338

В кремниевом (Si) p-i-n-фотодиоде, который является наиболее распространенным ФД толщина i-области - 50мкм, р ± 3мкм. При освещении такого диода светом λ = 0,9мкм (от GaAs излучателя) х* - 30мкм и около 80% света поглощается в i-слое. Следовательно, и быстродействие диода определяется временем τ i -

их пролета через i-слой. Дрейфовая скорость электронов в кремнии сначала растет с увеличением напряжения поля, а затем испытывает насыщение при

Ud » 5 ×106 cм / с. В этих условиях время пролета равно:

−4

ti = 5 ×106 см / с = 10−9 с,

авремя tд , определяемое диффузией электронов из p-области или дырок из n- области (τд > τi ), не играет существенной роли.

Вобщем случае следует учитывать еще одну составляющую τ rc постоянной50 ×10 cм

времени, связанной с сопротивлением R и емкостью C цепи. При малом сопротивлении нейтральных областей диода, а также внешней цепи, при широком переходе (зарядовая

емкость p-n-перехода С ~ d-1, а d ~ U ) имеем τ rc < τ i . Обнаружительная способность кремние-

вых

фотодиодов

достигает

значения

1×1013 cм × Гц12 × Вт−1 при λ = 1мкм,

Т = 300К.

ФД с поверхностными барьерами. ФП с по-

верхностным баръером Шоттки (рис. 14.15) также обладает высоким быстродействием и эффективностью. Подобные барьеры, образующиеся на контакте металл – полупроводник, могут быть получены на материалах, на которых невозможно создать p-n-

переход. Если электронный полупроводник контактирует с металлом, у которого работа выхода меньше работы выхода для полупроводника, то определенное число электронов переходит из полупроводника в металл. Ионизированная донорная

339

примесь в полупроводнике образует слой положительного пространственного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в запирающем направлении (минус на металле) ширина барьера увеличивается в соответствии с формулой

2εε		0	(U	к		+ U) 1 2
d =									,	(14.31)
			e N
					d
где ε – диэлектрическая проницаемость;							ε0 –		диэлектрическая постоянная; Uк –
контактная разность потенциалов; U –				внешнее напряжение;						Nd – концентрация
доноров.

Если Nd = 1·1017 см-3, то при напряжении в несколько вольт d ≈ 1·10-5 см. Тонкий слой металла толщиной 1·10-6 см может быть нанесен на полупроводник методом вакуумного распыления. Свет направляют на кристалл сквозь эту почти прозрачную пленку (в случае диода Au-Si слой Au пропускает 95% излучения с λ = 0,63мкм). Если d > x*, то основная часть света с энергией фотонов hν > E поглощается в области, в которой присутствует сильное электрическое поле (переход 2 рис. 14.15). Возникшие пары быстро разделяются полем, и время пролета τi может быть сделано очень малым (τi = 10-10 – 10 –11 c), особенно в том случае, когда х* и толщина d < 1мкм.

По мере увеличения f х* уменьшается, и область поглощения света сдвигается к металлическому слою. Тем не менее, вследствие близости барьера к поверхности это поглощение остается в пределах поля барьера и диффузионная составляющая тока отсутствует. Чувствительность диодов Шоттки, как и p-i-n- переходов является высокой и достигает Si = 0,5 А/Вт. Особенностью барьеров Шоттки является возможность регистрации фотонов с hν > E . При энергии фотонов, большей чем высота барьера, со стороны Ме, электроны могут вводиться в

полупроводник из металла (переход 1 на рис. 14.15). Соответственно расширяется область спектральной чувствительности ФД.

Чтобы предупредить сильное отражение света от поверхности диода, на нее наносят просветляющее покрытие, например, пленку сульфида цинка, с n = 2,3 для λ = 0,63 мкм. Толщину пленки устанавливают такой, чтобы при интерференции лучей, отраженных от границ пленки, получился минимум, т. е. чтобы отражение отсутствовало для лучей данной λ.

Лавинные фотодиоды (ЛФД). Если к ФД приложить высокое обратное смещение, то Е в барьере оказывается настолько высоким (5·105 – 1·10 6 В/см), что развиваются процессы ударной ионизации атомов решетки ускоренными электронами. Это приводит к росту обратного тока при данном световом потоке Ф (рис. 14.16). Как темновые, так и фотоэлектроны, приобретают в высоком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученая электроном энергия превышает энергию ионизации Еi (обычно ∆Е < Еi < 1,5∆Е), то электрон может создать новую электронно-дырочную пару. При достаточно протяженной области поля возникшие электрон и дырка тоже могут ускориться до энергии Еi и совершить новые ионизации, т. е. будет наблюдаться лавинное нарастание числа носителей заряда.

Увеличение тока, вследствие ионизации при больших Е, характеризуется коэффициентом умножения носителей M = I / Io , где I – ток при больших напря-

340

жениях U, а I0 – при малых. Величина М отражает общее число ионизаций, совершенных как первичными, так и вторичными электронами и дырками. Она определяется отношением числа электронов, вошедших в область поля (n0), к числу электронов, вышедших из него (n), т.е.

М = n/n0.	(14.32)
Квантовый выход ионизации зависит от коэффициента ударной ионизации

(число пар, созданных электроном на 1см пути) для электронов (αi) для дырок (βi),

а также ширины d области поля. При αi = βi	и однородном поле шириной d имеем
d
N = αid , в случае неоднордного поля N = ∫	αidx . Так как αi ~ exp(-с1 / E2 ), а для
0

барьера Шоттки Е ~ U (U – напряжение на барьере), то N может быть представлено в виде N = a1 exp( − в1 U ) , где а1, в1, с1 – постоянные, значение N изменяет-

ся от 0 при малых U до 1 при напряжении пробоя Uв, когда ток через диод резко возрастает ( M → ∞ ). На практике часто используется степенное представление

зависимости N(U), а именно N = (U U в )m , где m = 2 ÷ 4 для разных материалов.

G

Ef

	Uобр, B			20 10	0
				Ф	10-3
		E			10-2
		Ef		Ф	Ф =0 0,1
				Ф2 >
		E			1,0

a)	б)
	IФобр ,
	мкА

Рис. 14.16. Процесс лавинного размножения носителей заряда в диоде Шоттки (а) и В – А характеристика лавинного фотодиода (б).

Лавинное умножение фотоносителей получено как в поверхностных барьерах (рис. 14.21), так и p-n- переходах. При больших U сильные токи приводят к разогреву полупроводника, что увеличивает темновой ток и уменьшает фототок. Так как коэффициент умножения

M ~ 1·103, ЛФД пригоден для регистрации слабых световых сигналов. В то же время из-за сильной зависимости M(U) использование ЛФД затруднено необходимостью применения высокостабильного напряжения. Инерционность ЛФД составляет около 1·10-9с.

Специальные типы фотодиодов. Фото диоды с продольным фотоэф-

фектом. На характеристики и параметры ФД кроме материала p-n-перехода существенное влияние оказывает место падения светового потока относительно области p-n-перехода. Рассмотрим некоторые типы фотодиодов. Если на одной из