Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

321

обладают большими потерями и, следовательно, имеют верхний частотный предел, более низкий, чем электрооптические диэлектрики, подобные танталониобату лития. Потери, связанные с наличием свободных носителей в полупроводниках, можно использовать для модуляции интенсивности отклоняемого луча.

322

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ПРИЕМ И ПЕРЕДАЧА ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

Глава 14. Приемники оптического излучения

Фотоприемник – это прибор, который поглощает энергию оптического излучения и преобразует её в электрическую с определенным КПД.

Классификация фотоприемников достаточно условна и может осуществляться по многим признакам.

1.По среде, в которой происходит движение фотоэлектронов или оптически генерированных пар носителей заряда. Различают вакуумные и твердотельные (полупроводниковые) фотоприемники.

2.По структуре полупроводникового материала фотоприемника. Приемники с однородной структурой полупроводника. Приемники с p-n-переходами. Например: Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.

3.Приборы с внутренним усилением фототока, лавинные фотодиоды, фототранзисторы, канальные фотоумножители т.д.

4.По времени отклика на оптический сигнал и по частотным свойствам.

5.По области применения (фотометрия, солнечные элементы, оптоэлектронные схемы, волоконно-оптическая связь и т.д.

14.1. Физические принципы приема оптического излучения

14.1.1. Поглощение света в твердых телах

В основу изложения этой главы взяты материалы из [41]. При прохождении света через вещество, его интенсивность уменьшается. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или теплового движения атомов. Рассмотрим возможные переходы электронов в кристаллах под действием света.

На рис. 14.1,а введены следующие обозначения переходов:

1-зона – зона hν > E = Ec − Ev ; 2- локальный уровень примеси - зона или дефект кристалла – зона; 3 - зона – локальный уровень примеси или зона – дефект

323

кристалла; 4- внутри центровые переходы; 5- зона – экситонный уровень; 6- свободные носители.

Переходы 1,3 изменяют электропроводность твердых тел (внутренний фотоэффект); при переходах 4, 5, 6 – электрон не освобождается и процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводности кристалла.

Межзонные переходы. При поглощении электроном фотона должны выполняться законы сохранения энергии и импульса, поэтому более полно процесс поглощения света описывается с помощью диаграммы, учитывающей изменение энергии Е и импульса Р. На рис. 14.1,б показаны прямые и непрямые межзонные переходы.

Сплошная линия соответствует полупроводнику, у которого минимумы энергии электрона и энергии дырки (она увеличивается вниз на рисунке) приходятся на одно и то же значение импульса (так называемые прямые зоны). В наиболее простом случае кинетическая энергия электрона связана с импульсом соот-

ношением E = P2 / 2m .

Стрелки 1 (рис. 14.1,б) изображают прямые переходы. Они соответствуют минимумам энергии электрона и энергии дырки. Эти переходы происходят без

изменения импульса. Импульс фотона очень мал и соответствующим приращением импульса электрона, поглотившего фотон, можно пренебречь.

В случае материалов с прямыми зонами преобладают прямые межзонные переходы, не требующие участия третей частицы. GaAs (∆E = 1,4 эВ); CdSe (1,8

эВ); CdS (2,5 эВ); ZnS (3,7 эВ).

На рис. 14.1,б - 1/ изображены непрямые межзонные переходы. В этом случае, происходит изменение импульса электрона, поглотившего фотон. В процессе поглощения участвует третья частица – фонон (квант колебательной энергии кристалла).

Может осуществляться случай, когда экстремумы энергий электронов и дырок на диаграмме Е (Р) приходятся на различные Р (штриховая линия на рис. 14.1,б). Здесь наблюдаются только непрямые (1//) переходы (рис. 14.1,б). К материалам с непрямыми переходами относятся, например, Ge (∆Е = 0,7 эВ); Si (1,1

эВ); AlAs (2,2 эВ); GaP (2,3 эВ); SiC (2,4 – 3,1 эВ).

Если под действием света осуществляются переходы с участием примесных уровней, переходы 2,3 (рис. 14.1,а), то третьей частицей, обеспечивающей выполнение закона сохранения импульса, может быть примесный центр.

Количественно поглощение света описывается следующим образом. Пусть на вещество падает поток излучения Ф0, а на плоскость на глубине х под поверхностью вещества - поток Ф(х). В слое толщиной dx поглощается энергия dФ(х), которая пропорциональна падающему потоку и толщине dx,

то есть − dФ(x) = αФ(x)dx , где α – коэффициент пропорциональности,

имеем Ф(x) = Ф0 /e.

x* - называется длиной поглощения света. Это расстояние, на котором поток уменьшается в е раз (e=2,72).

324

Пример: если при собственном поглощении α =105 см –1 , то x* = 0,1 мкм. В случае примесного поглощения света α гораздо меньше, так как концентрация примесных электронов или акцепторных уровней сравнительно мала (обычно порядка 1016 - 1018 см-3). При концентрации примеси около 1017 см-3 коэффициент примесного поглощения α =10 см –1 .

В кристаллах с большой долей ионной связи возможно возбуждение колебаний решетки световыми волнами. Поглощение такого типа становится

особенно сильным в области резонанса (~1013 Гц). Поглощение света свободными носителями заряда пропорционально их концентрации

Различные типы поглощения проявляются при различных энергиях квантов hν . Обобщенная зависимость α от hν выглядит примерно так, как показано на рис. 14.2. Собственное поглощение начинается на частоте ν 0 , соответствующей

hν = E . Примесное поглощение создает полосы 2 и 4, (нумерация полос та же, что и для переходов, изображенных на рис. 14.1). В широкой полосе частот присутствует слабое поглощение света свободными электронами или дырками (6), в инфракрасной области проявляется пик (7), связанный с поглощением излучения ионами решетки ( hν ≈ 0,1 эВ).

У края собственного поглощения располагаются узкие линии экситонного поглощения (5). Экситон представляет собой слабо связанные электрон и дырку, образующие систему, которая имеет серию энергетических уровней. Экситон является нейтральным образованием и его появление не приводит к изменению электрических характеристик образца. Если температура достаточно высока, чтобы под действием тепловой энергии электрон перешел в зону проводимости, то при экситонном поглощении получится тот же результат, что и при собственном поглощении света.

В фотоприемниках обычно используют собственное поглощение. Примесное поглощение используют для расширения спектральной характеристики в длинноволновую область. Примеры зависимости х* от энергии фотонов hν в области собственного поглощения кристаллов приведены на рис. 14.2,б.

325

14.1.2 Явление фотоэффекта

Под фотоэффектом будем понимать изменение электрических и физических характеристик материалов под действием светового потока. В данном пособии будут рассмотрены, в основном, явления внутреннего фотоэффекта и приборы, основанные на этом явлении.

Введем понятие фотопроводимости и фототока. Фотопроводимость – это изменение сопротивления однородного полупроводника под действием света. Разность потенциалов или направленное движение носителей заряда, возникающее в полупроводнике при условии разделения пар носителей носит название фото-ЭДС (фототока). Разделение носителей может происходить за счет разного коэффициента диффузии (Dдиф) – диффузионная фото-ЭДС, за счет электрического поля – фотогальванический эффект, за счет магнитного поля – фотомагнитный эффект, за счет комбинации этих способов разделения зарядов.

Приборы, в которых происходит преобразование светового потока в фототок или фото-ЭДС, называют фотоэлементами.

Условия существования фотоэффекта. Если оптически генерированные неравновесные носители (n-электроны и p-дырки) претерпевают разделение в объеме освещенного полупроводника, происходит не только изменение его фотопроводимости но и образование разности потенциалов между участками освещенного образца и возникновение фототока.

Рассмотрим некоторые принципы разделения зарядов и условие возникновения фототока или фото-ЭДС:

1.Фотогальванический эффект. Неравномерно освещенный полупроводник, помещенный в магнитное поле дает сравнительно большую величину фото-ЭДС.

Иэто явление называется фотомагнитоэлектрическим эффектом (ФМЭ).

2.Эффект Дембера (диффузионный фотоэффект).

При неравномерном освещении однородного полупроводника, характеризующегося неодинаковыми коэффициентами диффузии электронов и дырок Dn ¹ Dр образуется градиент концентрации n и p вдоль оси, совпадающей с

направлением освещения, который создает диффузионные потоки.

3.Градиентный фотоэффект. Образование фото - ЭДС при, освещении полупроводника с неравномерно распределенной примесью в объеме, имеющего градиент проводимости dу / dx – называется объемно градиентным фотоэффектом.

4.Фотопьезоэлектрический эффект. При освещении односторонне сжатого полупроводника возникает фото - ЭДС за счет фотопьезоэлектрического эффекта. Фото - ЭДС возникает на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, величина ее пропорциональна интенсивности света и давлению, вызывающего деформацию кристалла.

326

5. Фото-термо - ЭДС возникает при освещении неравномерно нагретого полупроводника. В этом случае изменяется величина термо-ЭДС, определяемая разностью температур между холодными и нагретыми участками образца.

Рассмотрим подробно каждый из типов, создающий фото - ЭДС.

Эффект Дембера. Если свет сильно поглощается полупроводниковым элементом, то образуется градиент концентрации неравновесных носителей заряда вдоль оси, совпадающей с направлением освещения. При этом создаются диффузионные потоки электронов и дырок от освещенной поверхности к неосвещенной

Eсли коэффициенты диффузии электронов Dn и дырок Dp сделать одинаковыми, то диффузионный ток дырок станет уравновешен диффузионным током электронов. При этом положительные и отрицательные заряды распределялись бы по объему полупроводника равномерно.

Неодинаковость диффузионных токов электронов и дырок приводит к образованию пространственного заряда и созданию статического электрического поля с напряженностью Е, тормозящего более быстрые и ускоряющего более медленные носители.

В состоянии равновесия диффузионные токи уравновешиваются дрейфовы-

ми.

I = E x e[μn n(x) + μ p P(x)]− e(Dn − Dр )(grad n) x , (14.4)

где μn и μp- подвижности электронов и дырок, Ех – напряженность электрического поля в направлении х.

вание фото-ЭДС Дембера показано схематически на рис. 14.3.

Величина фото-ЭДС определяется разностью коэффициентов диффузии основных и неосновных носителей заряда и изменяется пропорционально интенсивности освещения образца.

327

14.1.3. Фотомагнитоэлектрический эффект (ФМЭ) и фотогальванический эффекты

При фотомагнитоэлектрическом эффекте (ФМЭ) потоки электронов и дырок, движущихся от освещенной поверхности образца к неосвещенной, отклоняются магнитным полем в разные стороны.

ФМЭ эффект возникает в результате действия магнитного поля на диффузионный ток электронов и дырок, потоки электронов и дырок, движущихся от освещенной поверхности образца к неосвещенной, отклоняются магнитным полем в разные стороны. Электрическое поле (фото ЭДС) возникает в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению диффузионного тока. Возникновение ФМЭ аналогично механизму эффекта Холла (рис. 14.4).

Эффект Холла (рис. 14.4,а) заключается в образовании поперечной разности потенциалов вследствие отклонения в магнитном поле равновесных носителей заряда, движущихся в продольном направлении под действием внешнего электрического поля.

ФМЭ эффект (рис. 14.4,б) есть результат отклонения в противоположных направлениях одинакового количества генерированных светом электронов и дырок, движущихся перпендикулярно магнитному полю за счет градиента концентрации. Величина ФМ ЭДС может достигать больших значений, до нескольких десятков вольт.

ФМЭ эффект используется на практике для создания фотомагнитных приемников (ФМП) излучения на основе узкозонных полупроводников.

Фотогальванический эффект

Приборы на основе фотогальванического эффекта (ФГЭ) наиболее широко применяется и поэтому рассмотрим его более подробно.

Световой поток создает градиент концентрации пар неравновесных носителей заряда. Возникает диффузионное перемещение их от освещенной поверхности вглубь системы – к р-n- переходу (см. рис. 14.5). Часть пар носителей рекомбинирует в объеме полупроводника, но большая часть носителей, образовавшаяся

328

на расстоянии L c обеих сторон перехода, диффундирует к барьерному слою. Здесь, в области потенциального барьера происходит разделение пар: основные носители, для которых контактное поле – тормозящее, остаются в своем объеме, неосновные носители свободно переходят через р-n- переход, втягиваясь ускоряющим их контактным полем, в зону перехода и образуют фототок (IФ).

Если Ф – падающий световой поток спектрального состава, соответствующего области собственного поглощения hn ³ DE , тогда большая часть светового потока поглощается в наружном слое (из-за большого коэффициента поглощения) p

– полупроводника, но некоторая часть проникает глубже во внутреннюю часть системы – n- область. Равновесие токов, текущих через переход, нарушается.

Если система разомкнута, то по мере перехода неосновных носителей через барьер на границах p-n-перехода будут накапливаться объемные заряды, препятствующие дальнейшему переходу носителей: возникает фото-ЭДС. Полярность фото-ЭДС обратна контактной разности потенциалов. Поток

неосновных носителей через освещенный переход снижает потенциальный барьер до тех пор, пока возросший ток диффузии основных носителей не скомпенсирует фототок.

Предельная величина фото-ЭДС (Uф) при больших освещенностях равна контактной разности потенциалов (Uк) системы, которая при высокой степени ле-

здесь Еg = Е – ширина запрещенной зоны, е- заряд электрона.

Если p-n-переход замкнут на нагрузку, то при освещении перехода в цепи течет ток, направление которого соответствует потоку неосновных носителей (т.е. совпадает с направлением обратного тока, текущего через переход при подаче внешнего напряжения в запорном направлении).

На рис. 14.6 показана энергетическая схема освещенного перехода. Считаем, что число фотонов, поглощаемых в объеме наружного полупро-

водника в единицу времени, равно Ф/ hn , а количество генерируемых пар носи-

телей определяется величиной η Ф . hν

В этом выражении η – квантовый выход внутреннего ФЭ:

329

Рис. 14.6. Энергетическая схема освещенного перехода.

Эффективность разделения носителей β определяется как:

гдеS л – коэффициент пропорциональности, характеризует спектральную чувстви-

тельность фотоэлемента.

Полный ток, протекающий во внешней цепи будет определен следующим выражением:

где UR – напряжение (UR= UФ-Uк ), возникающее на сопротивлении нагрузки при освещении ФЭ, IФ , I pn , Inp , I pp , Inn - обозначение токов приведено на рис. 14.6.

Полярность этого напряжения соответствует прямому напряжению на переходе, вследствие чего оно вызывает увеличение диффузионных токов основных носителей через переход.

Напряжение ХХ (фото-ЭДС) фотоэлемента изменяется при увеличении светового потока по логарифмическому закону. Только в области малых световых потоков

ны, соответствующей ширине запрещенной зоны полупроводника.

На рис. 14.7 показаны схемы включения ФЭ с электронно-дырочным переходом в фотогальваническом

(рис. 14.7,а) и фотодиодном (рис. 14.7,б) режимах.