Квантовая и оптическая электроника

271

Если свет создает электронно-дырочные пары, то возника- ет 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:

При этом у освещенной поверхности (х = 0) скорость генерации будет определяться

Ф1(0) — плотность падающего потока. Полагая, что генерация идет равномерно по объему в слое полупроводника толщиной х* (в этом случае поглощается 23 фотонов), получим:

дение τVd имеет смысл расстояния у, которое проходит электрон за время τ, фототок

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

Из выражения (11.9) следует, что Iф ~ Ф. Экспериментальные зависимости Iф (Ф) показывают ослабление зависимости Iф (Ф) при больших световых потоках (см. рис. 11.9, 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. 11.9, в). После

272

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

В результате фоторезисторы обладают большей, чем другие ФП, инерционностью (табл. 11.1). Как это обстоятельство, так и температурная зависимость параметров резисторов ограничивают 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 = 0,7 мкм, работают при U = 20 В и имеют постоянные времени роста и спада фототока τ1 = 40 мс и τ2 = 20 мс. Их интегральная чувствительность при использовании общего излучения теплового источ-

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.

Гальванический режим (рис. 11.6, а) — на фотодиод не подается внешнее питание, а нагрузкой является высокоомный индикатор — регистрируется фото-ЭДС; нагрузкой служит низкоомный индикатор — регистрируется фототок.

273

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. 11.10.

Теперь разделение электронов и дырок, возникающих при освещении, производится более сильным полем, а ширина области высокого сопротивления увеличивается (d ~ U ). Это увеличивает ту часть кристалла, из которой электроны и дырки быстро выводятся полем.

Графики вольт-амперных зависимостей p-n-

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:

276

11.13). Как темновые, так и фотоэлектроны приобретают в высоком поле энергию, большую, чем они теряют при столкновениях с атомами решетки. Если полученная 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 / I0 , где I — ток при больших напряжениях 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.

Квантовый выход ионизации зависит от коэффициента ударной ионизации (число пар, созданных электроном на 1 см пути) для электронов (αi), для дырок (βi), а также ширины d области поля. При αi = βi и однородном поле шириной d имеем N = αi d , в

барьере), то N может быть представлено в виде N = a1 exp(−в1 U ) , где а1, в1, с1 — постоянные, значение N изменяется от 0 при малых U до 1 при напряжении пробоя Uв, когда ток через диод резко возрастает ( M → ∞ ). На практике часто используется степенное

ностных барьерах (рис. 11.13), 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 вы-

277

сокостабильного напряжения. Инерционность ЛФД составляет око-

ло 1·10–9 с.

Фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзистор (рис. 11.14) — представляет собой структуру

щения ток коллектора Iк будет равен обратному току перехода коллектор — база, т.е. IКТ = IКБО. При этом учтем, что обратное смещение перехода эмиттер — база (Э — Б) невелико, равно 0 или не превышает UT. Направим на переход эмиттер — база световой поток Ф, в обоих областях перехода будет происходить генерация пар носителей заряда. Через переход эмиттер — база увеличится ток экстракции неосновных носителей. Это приведет к снижению потенциального барьера и к росту тока базы. В свою очередь ток коллектора увеличится IК = b × IБ + (b +1) IКБО , где β — коэффициент передачи тока базы. При дальнейшем увеличении светового потока переход Э — Б окажется смещенным в прямом направлении. Токи инжекции неосновных носителей превысят токи экстракции неосновных носителей, и ток коллектора возрастет еще больше. Эти рассуждения справедливы и для случая, когда в темновом режиме переход Э — Б имеет небольшое прямое смещение.

В темноте практически все внешнее напряжение падает на коллекторном переходе. Освещение средней части (базы) ведется через тонкий слой эмиттера. Возникающие в базе и в обоих переходах фотоэлектроны попадают в области эмиттера и коллектора,

278

а дырки собираются в средней области. В результате к левому p-n-переходу оказывается приложенным дополнительное напряжение в прямом направлении и возникает инжекция темновых электронов через сниженный барьер в базу и далее — в коллек-

I

G

Ф3>Ф2>Ф1

Ф2

б

a

Рис. 11.15 — Фототранзистор: а — энергетическая диаграмма фототранзистора; б — В-А-характеристики

торный переход (рис. 11.15, а).

Таким способом первоначальный ток фотоносителей может быть усилен ~ в 1·102 раз. Соответственно чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у обыкновенного ФД. С другой стороны, участие процессов диффузии носителей заряда

увеличивает инерционность и постоянная времени возрастает τ = =10–5 –10 –6 с.

Сужение базы, необходимое для уменьшения τ, приводит к уменьшению чувствительности фототранзистора вследствие уменьшения числа поглощенных фотонов.

Рис. 11.14 и 11.15, а и б иллюстрируют работу фототранзистора. Вольт-амперные характеристики фототранзистора приведе-

ны на рис. 11.15, б.

Фототиристор имеет чередующиеся слои p, n, p, n-типов проводимости и соответственно 3 p-n-перехода, из которых средний называется коллекторным, а два крайних — эмиттерными. Структура включается так, чтобы коллекторный переход был

279

включен в обратном направлении, а 2 эмиттерных — в прямом (+ на внешней p-области, а – на n-области).

Если напряжение на всем тиристоре увеличить до Un, при котором эмиттерные переходы заметно понизятся (или при U < Un, но с помощью управляющего электрода одной из баз эмиттерный переход включается в прямом направлении), то через тиристор начинает течь значительный ток, который приводит к накоплению

вp-базе положительного эаряда, а в n-базе отрицательного. Это снижает высоту p-n-переходов и вызывает резкий рост тока. При этом общее падение U на тиристоре снижается, т.к. токи сами теперь поддерживают нужную степень накопления зарядов. Таким образом, тиристор может находиться в состоянии, соответствующем большим или малым токам, т.е. тиристор может работать как ключ в электрической цепи.

Уфототиристора накопление + и – зарядов, необходимых для перевода его во включенное состояние, производится при облучении светом с длиной волны, близкой к собственному поглощению материала. Поле среднего перехода направляет фотодырки

вp-базу, электроны в n-базу, что снижает высоту обоих эмиттерных барьеров и создает сильные токи через тиристор, т.о., свет играет роль управляющего электрического сигнала и позволяет бесконтактным способом управлять токами в различных цепях.

12. ОПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Эффективная и своевременная обработка больших массивов информации является одной из важнейших научно-технических проблем. Развитие науки и техники идет по пути необычайно быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию. Появление большого количества задач, решение которых целиком зависит от возможности переработки больших массивов информации, выдвигает высокие требования к своевременной и эффективной ее обработке.

В данной главе мы рассмотрим возможности применения оп- тико-электронных устройств в области передачи, обработки и хранения информации, познакомимся с принципом действия оптического процессора.

280

Любой физический процесс, несущий в себе ту или иную информацию, называется сигналом. В оптике носителем информации является световая волна. Следовательно, световая волна может рассматриваться как оптический сигнал. Преобразование таких сигналов производит оптический процессор.

Чем больший объем информации может быть закодирован в параметрах носителя информации, чем больше скорость его прохождения через систему обработки, тем больше быстродействие такого устройства. Использование когерентного светового поля (лазерного излучения) в качестве переносчика информации позволяет создать достаточно гибкую систему обработки информации, способную обрабатывать большой объем данных в очень короткое время.

Оптические системы в большинстве случаев представляют собой специализированные процессоры для выполнения основных математических операций, одно- и двумерного преобразований Фурье, вычисления корреляционных функций. Такие системы высокоэффективны и обладают большим быстродействием. На базе таких систем могут быть построены гибкие оптические процессоры, способные решать широкий класс радиотехнических задач.

12.1Структура системы оптической обработки сигналов

Сейчас имеется много оптических и цифровых процессоров, которые при высокой скорости обработки данных (до миллиарда операций умножения и сложения в секунду) обеспечивают высокую точность измерения параметров выходных сигналов. Одним из перспективных направлений применения оптических методов является обработка радиолокационных сигналов. Быстродействие радиолокационных станций (РЛС) с системой оптической обработки информации (1012...1014 бит/с) значительно превышает быстродействие РЛС с традиционной электронной обрабатывающей системой (106...108 бит/с).