1. — Освещение отсутствует; 2 — освещение присутствует

Спектральная характеристика фотодиодов подобна той, что наблюдается у фоторезисторов. Коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Спад фоточувствительности в области длинных волн соответствует краю собственного поглощения полупроводника (ширине запрещенной зоны). В качестве примера на рис. 8.4 представлены спектральные характеристики неохлаждаемых фотодиодов из GaAs, Si, Ge.

Фотоструктуры на р—п - переходах предпочтительнее фоторезисторов из-за их прямого согласования с входным каскадом кремниевого прибора с переносом заряда (ППЗ), относительно высокого сопротивления и меньшего значения рассеиваемой мощности. Кроме того, фотодиоды обладают большим быстродействием, чем фоторезисторы, потому что сильное поле в области обеднения придает фотоносителям большую скорость и скорость фотоответа уже не ограничивается временем рекомбинации. Время пролета носителей через р—п - переход пропорционально его толщине и обратно пропорционально максимальной скорости движения носителей в электрическом поле.

Рис. 8.4. Спектральные характеристики неохлаждаемых фотодиодов из GaAs, Si, Ge.

Большое распространение получили р—i—n - диоды, в которых i -область состоит из слабо легированного полупроводника. Электрическое поле в i- области ускоряет транспорт носителей и снижает барьерную емкость фотодиода. Последнее обстоятельство позволяет снизить величину емкости на входе предусилителя и уменьшить время переходных про­цессов.

Падающее излучение с незначительными потерями в p- слое достигает i- слоя, в котором поглощается с генерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда (p-i - перехода) и дрейфуют к соответствующим электродам, вызывая появления фототока.

Диоды на р—i—п - структуре позволяют обеспечить высокую чувствительность в длинноволновой области спектра при увеличении i-области, в которой поглощается порядка 90 % излучения. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме позволяют обеспечить совместимость р—i—n - диодов с интегральными схемами.

Фотодиоды Шоттки со структурой "металл — полупроводник" позволяют повысить быстродействие приемников излучения до 10^-10 с. В таких структурах граница спектральной характеристики сдвигается в сторону более длинных волн. Фотодиоды Шоттки обладают малым сопротивлением базы фотодиода, и инерционность таких приборов определяется временем пролета фотоносителей через оо-ласть объемного заряда (примерно с). Простота создания выпрямляющих фоточувствительных структур с барьером Шоттки на различного типа полупроводниках (даже на тех, на которых нельзя сформировать р—п - переход) открывает большие перспективы использования фотодиодов Шоттки.

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют создать фотоприемные устройства с КПД близким к 100 %. На рис. 8.5 показано устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода. Излучение вводится через слой GaAlAs. Поглощение происходит в n-области GaAs. Разница в ширине запрещенной зоны по обе стороны от гетероперехода составляет приблизительно 0,4 эВ. Генерируемые в n- области дырки переносятся в р⁺- область. Ширина активной n- области выбирается такой, чтобы происходило полное поглощение излучения. Структура работает при небольших напряжениях. Выбирая соответствующие пары полупроводников, можно создать фотодиоды для любой части оптического спектра. Дело в том, что в гетероструктурах длина волны определяется разницей ширины запрещённых зон и не связана со спектральной характеристикой поглощения излучения.

Рис. 8.5. Схема фотодиода с гетероструктурой (а) и его зонная диаграмма (б)

Фотоприемники с внутренним усилением

Фототранзисторы. Фотоприемники, в которых происходит преобразование оптического излучения с одновременным усилением фототока, называют фотоприемниками с внутренним усилением. Обычно используются фототранзисторы биполярного типа, которые включаются в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером. База не имеет внешнего вывода (рис. 8.6, а). Управление коллекторным током осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. Генерация носителей происходит в области базы под действием излучения. Коллекторный переход служит для разделения носителей. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок для восстановления нейтральности базовой области, в которой остаются электроны. По сравнению с обычным диодом фототранзистор усиливает ток в раз, где - коэффициент передачи тока базы.

При использовании фототранзисторов для них выбирают оптимальную конструкцию: уменьшение толщины базы способствует повышению коэффициента передачи и уменьшению времени переключения, но снижает фоточувствительность прибора. Поэтому оптимальное быстродействие транзистора лежит в пределах с.

Составной транзистор представляет собой известную конструкцию из двух транзисторов с общим коллектором. Коэффициент передачи тока базы составляет

(8.10)

где и - соответственно коэффициенты передачи тока каждого транзистора. В результате чувствительность составного транзистора повышается и достигает значений , что выше, чем у обычных фотодиодов.

Рис. 8.6 Схема включения фототранзисторы (а)

и его выходные характеристики (б)