Gurtov_TE

11.3. Фоторезисторы

При генерации в однородном полупроводнике, например n-типа проводимости, электронно-дырочных пар при его освещении в полосе собственного поглощения происходит изменение концентрации основных nno и неоснов-

371

ных pno носителей. В том случае, если изменение концентрации основных носителей ∆nno сопоставимо с их начальной концентрацией nno, то суммарная концентрация основных носителей nn = ∆nno + nno возрастает, а следовательно возрастает и величина удельной проводимости. В том случае, если увеличение концентрации основных носителей существенно больше, чем стационарная концентрация, то суммарная проводимость будет определяться только фотопроводимостью.

Это физическое явление лежит в основе принципа действия фоторезисторов. Полупроводниковые резисторы, изменяющие свое электрическое сопротивление под действием оптического излучения называются фоторезисторами. Поскольку фоторезисторы предназначены для регистрации слабых световых потоков, то зачастую величина полезного сигнала сравнима с шумовым током. В связи с этим для фоторезисторов с целью уменьшения шумов используют специальные конструкции, позволяющие охлаждать фоторезистор. На рисунке 11.4а приведена такая конструкция с термоэлектрическим охлаждением.

Рассмотрим основные характеристики фоторезисторов. На рисунке 11.4б приведена топология рассматриваемых фоторезисторов и геометрия их освещения. Как было написано в предыдущем разделе, одной из основных характеристик фоторезистора является токовая чувствительность Si.

а) Конструкция охлаждаемого фоторезистора: 1 – входное окно; 2 – фоточувствительный элемент; 3 – контактная колодка; 4 – предусилитель; 5 – теплоотвод; 6 – электрические выводы; 7

– основание; 8 – терморезистор; 9 – термоэлектрический охладитель; б) Топология фоторезистора для расчета токовой чувствительности

Изменение удельной фотопроводимости ∆σ0 резистора при освещении в следствие изменения концентрации неравносесных носителей будет описываться соотношением

372

Полный ток I через резистор при величине внешнего напряжения U будет определяться суммой темнового IT тока и фототока IФ

Величина темнового IT тока определяется темновым омическим сопротивлением резистора , который при использовании геометрии фоторезистора, приведенной на рисунке 11.4б, будет

где w – толщина, d – ширина, l – длина фоторезистора.

В стационарных условиях при освещении фоторезистора из уравнения непрерывности получаем

Следовательно, изменения концентрации основных носителей ∆nn будет

поскольку темп генерации в случае однородного поглощения света в фоторезисторе будет

Ввыражениях (11.13) и (11.14) использованы следующие обозначения:

η– квантовый выход (число неравновесных носителей, генерируемых при поглощении одного кванта), α – коэффициент поглощения, Ф – световой поток (число падающих фотонов на единицу площади).

При освещении изменение фотопроводимости ∆σ будет

Согласно определению токовой чувствительности для фоторезистора, получаем

Используем для связи светового потока Ф и энергии оптического излучения, падающего на фоторезистор, P при энергии кванта hν соотношение

Подставляя это выражение в формулу (11.16), получаем для токовой чувствительности Si фоторезистора

373

Из уравнения (11.18) следует, что токовая чувствительность фоторезистора зависит от характеристик оптического излучения λ, η; геометрии фотоприемника w, l; характеристик полупроводникового материала µp, b, α, и выбора рабочей точки U.

На рисунке 11.5а показаны вольт-амперные характеристики фоторезистора при различных уровнях освещения.

а) вольт-амперные характеристики фоторезистора при различных уровнях освещения; б) Спектральная чувствительность фоторезисторов на основе CdS (кривая 1), CdSe (2), PbS (3), твердого раствора PbS-PbSe (4, 5), PbSe (6), PbSn(Te) (7) [84]

Для фоторезисторов характерны стабильность фотоэлектрических характеристик во времени, малая инерционность, простота устройства, допускающая различные конструктивно-технологические решения. Выбор полупроводникового материала позволяет получить избирательную фоточувствительность. Фоторезисторы на основе CdS и CdSe чувствительны к видимому и УФ излучению, а фоторезисторы на основе InSb и СdHgTe – к длинноволновому ИК излучению. На рисунке 11.5б приведены спектральные зависимости фоточувствительности различных фоторезисторов.

11.4. Фотодиоды на основе p-n перехода

11.4.1. Общие сведения

При попадании кванта света с энергией hν в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

374

Так, например, в n-GaAs с легирующей концентрацией 1014 концентрация основных носителей электронов составляет 1014 см–3, а концентрация неосновных носителей – дырок – 1 см–3. Поэтому если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 1010 неравновесных носителей, то проще зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей. В фотоприемных устройствах как правило используется принцип регистрации неосновных носителей заряда. Наиболее распространенные фотоприемники реализуются на основе диодных структур. Среди них фотодиоды на основе p-n переходов, барьеров Шоттки и гетеропереходов. Ниже, на рисунке 11.6 приведена конструкция наиболее распространенных фотодиодов.

375

Вход

излучения (1-1,6 мкм)

д

Рис. 11.6. Конструкции наиболее распространенных фотодиодов а) фотодиод на основе p-n перехода,

376

б) p-i-n фотодиод,

в) фотодиод на основе барьера Шоттки,

г) фотодиод основе p-n перехода с лавинным умножением,

д) фотодиод на основе p-i-n гетероструктуры

В фотодиодах на основе p-n переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рисунке 11.7.

K

+VG

Рис. 11.7. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения. n – эмиттер, p – база фотодиода

11.4.2. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

где pn0 и np0 — концентрации неосновных носителей.

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока при обратном смещении фотодиода выражается соотношением:

∆p и ∆n – неравновесная концентрация фотогенерированных неосновных носителей на расстояние Ln, Lp от области пространственного заряда в квазинейтральном объеме эмиттера и базы диода.

377

Обычно у p+- n фотодиода p+ эмиттер делают тонким l << Lp, Ln, так, чтобы поглощение света происходило в n-базе фотодиода. Тогда величина фототока из выражения (11.20) выражается соотношением:

где ∆p – неравновесная концентрация фотогенерированных (неосновных) носителей.

Поскольку

где η – квантовый выход, α – коэффициент поглощения и Φ – падающий световой поток.

Фототок JФ постоянен, не зависит от полярности и величины приложенного напряжения VG, и направлен от n-области к p-области полупроводника.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной области p-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры: диффузионная длина Lp порядка 100 мкм, ширина обедненной области p-n перехода 1 мкм. Поэтому основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики p-n фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Уравнение для активного режима работы фотодиода при наличии внешнего напряжения VG, принимает вид

378

Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи (R = ∞),для случая , когда внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину VG называют напряжением холостого хода Vхх. Из уравнения (11.26), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока Jф и тока нагрузки Js рассчитать напряжение холостого хода Vхх

Напряжение Vхх (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p-n перехода.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания, напряжение на выводах фотодиода VG = 0. Тогда из уравнения (11.26) следует, что ток короткого замыкания Jкз во внешней цепи равен фототоку JФ,

На рисунке 11.8 показано семейство ВАХ фотодиода, как при отрицательной так и при положительной поляризации фотодиода, рассчитанные по уравнению (11.26). При положительных напряжениях VG ток фотодиода быстро возрастает (пропускное направление) с увеличением напряжения. При освещении же общий прямой ток через диод уменьшается, так как фототок направлен противоположно току от внешнего источника.

J

Рис. 11.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода при различных уровнях освещения

379

ВАХ p-n перехода, располагаясь во II квадранте (VG > 0, I < 0), показывает, что фотодиод можно использовать как источник тока. На этом основан принцип работы солнечных батарей на основе p-n переходов.

Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока JФ от светового потока Ф, падающего на фотодиод. Сюда же относится и зависимость Vхх от величины светового потока. Количество элек- тронно-дырочных пар, образующихся в фотодиоде при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотодиод. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода.

При обратном смещении фотодиода, как следует из уравнения (11.25), ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения VG.

Коэффициент пропорциональности К в уравнение (11.29) получил название интегральной чувствительности фотодиода.

11.4.3. Спектральная чувствительность

Будем теперь освещать фотодиод монохроматическим светом с некоторой длиной волны λ. Величину светового потока Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света. Зависимость фототока JФ(λ) будет определяться зависимостью квантового выхода η(λ) и коэффициента поглощения α(λ) от длины волны

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны, причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода η(λ) от длины волны, а в области коротких длин волн – с зависимостью коэффициента межзонного поглощения α(λ) от длины волны. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hν меньше ширины запрещенной зоны Еg межзонное поглощение света не происходит. На рис. 11.9. приведена зависимость спектральной чувствительности для германиевого и кремниевого фотодиодов.

380