20

6. Фотоприемные устройства

6.1. Общие сведения

В фотоприемных устройствах (ФПУ) ВОСП происходит преобразование оптических сигналов в электрические и первичная обработка электрических сигналов. К характеристикам ФПУ предъявляют следующие основные требования:

• высокая эффективность преобразования оптических сигналов в электрические (высокая чувствительность на рабочей длине волны),

• высокое быстродействие,

• низкий уровень шумов,

• стабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления и пр.),

• высокая надежность, большой срок службы,

• низкая стоимость.

Основным элементом ФПУ является фотоприемник (ФП) или фотодетектор, где происходит преобразование оптического излучения в электрический сигнал. ФП можно разделить на 2 основные группы:

• фотонные или квантовые ФП, работа которых основана на внешнем или внутреннем фотоэффекте¹: поглощенные кванты падающего света непосредственно преобразуются в носители электрических зарядов. К квантовым ФП относятся фотоэлементы и фотоэлектронные умножители - вакуумные приборы, работа которых основана на внешнем фотоэффекте, а также полупроводниковые фотодиоды, работающие на внутреннем фотоэффекте.

• тепловые ФП, в которых оптическое излучение сначала преобразуется в тепло, которое изменяет температуру приемника, обладающего каким либо термоэлектрическим эффектом. Различают болометрические (болометрический эффект – изменение сопротивления материала (тонкой металлической или полупроводниковой пленки) при изменении температуры) и термоэлектрические ФП (эффект возникновения термоЭДС на контактах двух металлов).

В восп в настоящее время используются только квантовые фп – фотодиоды (фд).

6.2. Фотодиоды

6.2.1. Физические процессы в фотодиодах

Работа ФД основана на явлении внутреннего фотоэффекта - поглощении оптического излучения материалом полупроводника, сопровождающемся генерацией подвижных носителей заряда.

Рассмотрим физические процессы в ФД. В отсутствие оптического излучения он ведет себя как обычный p-n-переход, подробно рассмотренный в лекции 5. В области перехода возникает зона с малой концентрацией свободных носителей заряда (обедненная область), в которой действует электрическое поле. Ширина приграничного слоя в n‑ и p‑области зависит от степени легирования этих областей и в общем случае неодинакова.

Физические процессы, протекающие в ФД при облучении его светом, носят обратный характер по отношению к процессам, происходящим в полупроводниковых излучателях, которые также представляют собой диодные структуры. Таким образом, появляются пары свободных носителей (электроны и дырки), движение которых создает фототок – ток через переход.

Фототок имеет две составляющие - диффузионную и дрейфовую. Дрейфовый ток обусловлен силами, которые действуют со стороны электрического поля на элементарные заряды. Диффузионный ток обусловлен градиентом концентрации носителей заряда. Диффузионные процессы значительно более инерционны по сравнению с дрейфовыми.Если пара носителей заряда возникает вне обедненной зоны, то она локально изменяет концентрацию свободных носителей заряда, что приводит к диффузии зарядов, направленной на выравнивание их концентрации. Из-за большой инерционности диффузионных процессов желательно, чтобы фотоны поглощались именно в обедненной зоне.Если же пара электрон - дырка возникает на расстоянии от обедненной зоны, превышающем длину диффузии, то вероятность ее рекомбинации будет близка к единице и, следовательно, поглощенный фотон не даст вклада в фототок I_ф. Длина диффузии – это расстояние, на которое в среднем перемещается электрон до его рекомбинации (он не может бесконечно долго находиться в возбужденном состоянии, то есть эта величина связана со временем его жизни в зоне проводимости).

Поскольку желательно, чтобы генерация происходила в основном в обедненной зоне, к ФД прикладывают обратное напряжение, а также увеличивают эту зону при разработке конструкции ФД. Ширина обедненного слоя зависит от концентрации легирующих примесей. Чем меньше концентрация примесей, тем шире обедненный слой. Поэтому концентрацию примесей снижают (обычно в n-слое) до такой степени, что его уже можно считать собственным i-слоем. Для того чтобы получить в кремнии обедненный слой толщиной 30- 50 мкм при умеренных величинах обратного напряжения смещения (10-20 В), плотность донорных примесей в i-слое должна быть 10¹³ см^-3 (обычная концентрация примесей в n-слое составляет 10²⁰ см^-3). К этому слаболегированному высокоомному слою добавляют еще низкоомный n-слой с нормальной степенью легирования и получают известную p-i-n структуру.

Длина волны оптического излучения ограничена сверху явлением, которое называют красной границей фотоэффекта. Для того чтобы электрон под воздействием фотона перешел из валентной зоны в зону проводимости, фотон должен обладать достаточно большой энергией (не меньше ширины запрещенной зоны W_g). Фотоны с недостаточной энергией h (меньше ширины запрещенной зоны) не вызывают фотоэффекта. Можно определить пороговую длину волны _пор – максимальную длину волны излучения, при которой еще наблюдается фотоэффект. Эта длина волны соответствует квантам света с энергией, равной ширине запрещенной зоны W_g:

, (6.1)

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, коэффициент 1.24 имеет размерность мкм эВ.

Величины W_g и _пор для ряда используемых на практике полупроводниковых материалов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Материал	Si	Ge	GaAs	GaxIn1-xAs	GaxIn1-xAsyP1-x
Wg, эВ	1.1	0.72	1.43	1.43-0.36	1.35-0.36
пор, мкм	1.1	1.7	0.87	0.87-3.44	0.92-3.44

Другая граница фоточувствительности, со стороны коротких длин волн, обусловлена очень сильным поглощением излучения вблизи поверхности образца полупроводника.