книги / Твёрдотельная фотоэлектроника. Физические основы-1
.pdf1 5 0 2 0 0 спектрально чистых цветов, а при смешении с белым светом — еще порядка десяти оттенков каждого цвета.
Аналогичным параметром оптических приборов можно считать спектраль ное разрешение ДА. Из приведенных данных получим следующую оценку этой величины для глаза:
д х |
(0,76 — 0,38) |
мкм „ |
_ _ 4 |
_ |
ДА = |
—--------— |
------~ 2 |
10 4 мкм = 2 10_8 см. |
|
|
200 • 10 |
|
|
|
Человеку пришлось немало потрудиться, чтобы превзойти это достижение природы: в современных Фурье-анализаторах ДА лучше на порядок и более. Вместе с тем для многих практических задач достаточно использовать (и ис пользуют) спектральную аппаратуру с разрешением ДА не лучше, чем у глаза. И тем более человеку вполне достаточно спектрального разрешения своего гла за для восприятия цветового богатства окружающего мира.
Динамический диапазон D. Ночное зрение (палочки) позволяют человеку ориентироваться в безлунную безоблачную ночь, то есть при освещенности 10-4 лк. И тем более наш глаз видит при самом ярком на Земле прямом сол нечном освещении, а это 105 лк. Стало быть, для динамического диапазона D получаем:
10°
D = 10- 4 = 109
Такому «миллиардному» динамическому диапазону могут позавидовать мно гие оптико-электронные приборы.
Инерционность. Глаз способен регистрировать ~ 20 кадров в секунду, что, кстати, и определяет телевизионный стандарт.
Таковы достижения природы. И нам остается только стремиться к повто рению ее достижений по чувствительности и пространственному разрешению, приближаясь к теоретическим предельным значениям этих параметров в раз рабатываемых фоточувствительных приборах. То же можно сказать и о форма те технических систем зрения, динамическом диапазоне. Выиграть у природы мы можем по спектральному диапазону и инерционности. И не потому, что природа «подкачала»: она ставила конкретную «конструкторскую» задачу — согласовать глаз по спектру с солнечным излучением (ночью человек должен спать). А максимум излучения Солнца как черного тела согласно его темпе ратуре (6000 К) и закону Вина как раз приходится на указанную «зеленую» длину волны 0,55 мкм (см. гл. 2). Инерционность глаза определяется биомеха никой — инерционностью мускульных движений человека.
Огромно разнообразие «конструкций» и параметров органов зрения живот ных, обусловленное особенностями среды их обитания. Это подтверждает из вестный тезис: природа каждый раз решает конкретную конструкторскую за дачу, стремится не к абстрактным рекордам, а к целесообразности.
Перед человеком-конструктором стоят задачи, которые и заставляют его ка чественно превзойти возможности глаза по спектральному диапазону и инер-
ционности. Различные оптико-электронные системы должны регистрировать собственное тепловое излучение не только Солнца, но и самых разнообразных объектов: и нагретых тел (ракет при входе в атмосферу), и окружающих нас объектов с нормальной температурой, и даже холодных объектов в космосе. Но априори можно сказать, какую «территорию» могут теоретически завоевать фотоприемники: это не только 0,38-0,76 мкм, а весь оптический диапазон — от жесткого ультрафиолета 10_3 мкм (короче уже рентген) до далекого инфра красного ~ 100-ь 1000 мкм (дальше 1000 мкм — уже радиодиапазон). При этом для ряда систем необходимо обеспечить спектральную селекцию не только в видимом, как это делает глаз, но также в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
При регистрации излучения малоразмерных объектов для их простран ственной селекции применяют механические модуляторы и сканеры, так что к инерционности предъявляют скромные требования — достаточно воспроиз водить звуковые частоты модулированного излучения. Появление лазеров и светодиодов потребовало от фотоприемников высокого быстродействия, вплоть до наносекундного и даже субнаносекундного. Теоретически и здесь можно сформулировать предел — это фемтосекундное быстродействие, что соответ ствует периоду Т электромагнитной длины волны А = 1 мкм:
10 4 см
10_15 с.
3 Ю 10 см /с
Здесь с — стандартное обозначение скорости света.
Так природа сама указывает нам горизонты фотоэлектроники. Но и она же учит экономности и целесообразности: не бездумно бежать к этим горизонтам, а проектировать фотоприемник, исходя из требований конкретных условий, конкретной оптико-электронной аппаратуры, добиваться максимума результата при минимуме затрат.
И завершая этот раздел, следует с уважением к глазу сказать, что он ко нечно, прообраз не только фотоприемника, а и оптико-механической системы: в состав глаза входит и оптика, и защитные устройства (веки, слезные желе зы), глазом выполняются аккомодация (диафрагмирование — зрачок), адапта ция (фокусировка — изменение кривизны хрусталика), тремор (колебания глаза для пространственной селекции).
Ряд отмеченных функций научились выполнять и фоточувствительные при боры: оптические элементы (иммерсионная оптика, линзы, отрезок световода, световолокна) собирают излучение на фоточувствительный элемент, измене ние экспозиционного числа вариацией времени накопления в фото-ПЗС можно считать электронной диафрагмой.
1.3. Презентация фоточувствительных приборов
Как следует из названия книги, она посвящена твердотельным фоточувствительным приборам: преобразование оптических сигналов в электрические про исходит непосредственно в твердом теле. В зависимости от физического меха низма преобразования различают два класса приборов: квантовые фотоприем ники и тепловые приемники излучения.
1.3.1. Квантовые фотоприемники основаны на внутреннем фотоэффекте. Сегодня этот эффект кажется удивительно простым: фотон, поглощаясь в по лупроводнике, отдает свою энергию электрону, переводя его на более высокий энергетический уровень, что и приводит к изменению электрических свойств полупроводника.
Английским аналогом термина «фотоприемник» является термин «radiation receiver». Но это достаточно редкий термин, значительно чаще употребляет ся «photodetector». В отечественной литературе также встречается «фотоде тектор». Термин «детектор» имеет во всяком случае два смысла. Во-первых, это регистратор, обнаружитель, приемник сигнала, и тогда «фотоприемник» и «фотодетектор» — синонимы. Во-вторых, детектор — это демодулятор. Это значение детальнее отражает механизм внутреннего фотоэффекта: на вход при бора падает электромагнитное излучение с высокой оптической частотой v (на пример, для света i/~(0,4-j-0,8) 1015 Гц), а на выходе получается демодулированный электрический сигнал, пропорциональный мощности или квадрату амплитуды электромагнитной волны (квадратичное детектирование). Как ви-
Р и с. 1.3.1. Внутренний фотоэффект: а) соб ственное фотовозбуждение: энергии фотона
hu достаточно (hu ^ <f>g) для перевода элек трона из валентной зоны в зону проводи
мости через запрещенную зону <§g; б) при месное фотовозбуждение: энергия фотона ма
ла ( h u < £ g), но ее достаточно для перево да электрона с мелкого примесного уровня с энергией <£п в зону проводимости
дим, в самой терминологии отражается корпускулярно-волновой дуализм света: «квантовый» — это регистрация частиц, а детектор (демодулятор) — это реги страция волны.
Большая часть современных фотоприемников (ФП) являются квантовыми, причем в них чаще всего используют переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (собственное фотовозбуждение) (рис. 1.3.1а). Такой пере ход создает дополнительные неравновесные электроны (в зоне проводимости) и дырки (в дырочной зоне); их соответственно называют фотоэлектронами и
фотодырками. А дальше эти генерированные излучением фотоносители... впро чем, что дальше, зависит от структуры фотоприемника.
Фотодиод (ФД). По своей структуре это обычный полупроводниковый ди од, р-я-переход, но, конечно, специальной конструкции, которая обеспечивает максимальный фотоотклик и другие необходимые фотоэлектрические парамет ры. Не случайно перечень типов квантовых ФП мы открываем фотодиодом: он не только часто превосходит по характеристикам своих собратьев, но и является хрестоматийным, как бы специально созданными для изучения фото эффекта.
Как известно, на границе перехода области п и р истощаются (электро ны из я-области диффундируют в p-область, а дырки — навстречу им). Так возникает узкий слой пространственного заряда доноров и акцепторов (ОПЗ), причем электрическое поле Е направлено от я- к p-области, (рис. 1.3.2а). На
р-п-переход
0- |
$ +0 |
■0 |
пространственного |
|
заряда |
б |
а |
Р и с . 1.3.2. К фотогальваническому эффекту: а) разделение носителей электрическим полем р-я-перехода; б) облучение р-я-перехода отражается на эквивалентной схеме подключени ем к нему генератора фототока /ф
этом рисунке показаны три возможных случая фотогенерации пары носите лей (в зависимости от места поглощения фотона): непосредственно в ОПЗ, в я-области и в p-области. В первом случае пара сразу же разделяется полем: дырки движутся по направлению поля в p-область, а электроны — против поля в я-область. Скажем иначе: носители движутся по принципу «свой к своим», дырка к дыркам, электрон к электронам. В двух других случаях пара сначала блуждает (диффундирует) в квазинейтральной области: силы электрического взаимного притяжения не дают электрону и дырке разойтись. И если пара успеет до рекомбинации дойти к ОПЗ, то сильного поля ОПЗ достаточно, что бы эту пару разделить, преодолеть силу ее внутреннего притяжения — точно
так же, как и в первом случае. Как видим, в идеале на один поглощенный фотон во внешнюю цепь поступает один электрон. Так что ФД является счет чиком фотонов подобно счетчикам ядерных частиц. А облучение эквивалентно подключению к р-я-переходу генератора фототока /ф, (рис. 1.3.26). По этой причине внутренний фотоэффект в ФД называют фотогальваническим.
Разработаны самые различные типы ФД, отличающиеся полупроводнико вым материалом (он определяет прежде всего область спектральной чувстви тельности), числом, топологией и размером площадок. Различны и структу ры: могут применяться не два, а несколько полупроводниковых слоев разных толщин, концентраций и даже разных материалов с разной шириной запре щенной зоны (гетероструктуры). Так, между р- и я-слоями формируют /-слой (р/я-структуры). Символ «/» обозначает слой собственной проводимости (без примесей). На практике малая концентрация примесей может присутствовать, но сопротивление г'-слоя должно оставаться столь большим, чтобы при подаче обратного напряжения малое количество свободных носителей из /-слоя выно силось полем так, чтобы он полностью истощился и образовался широкий слой ОПЗ. Даже приведенное выше самое простое описание фотогальванического эффекта позволяет понять преимущества р/я-структуры. В широкой истощен ной /-области быстро и без потерь разделяются фотоносители, генерирован ные в ней глубоко проникающим излучением. Кроме того, емкость прибора и связанная с ней инерционность уменьшаются: широкая истощенная /-область (как бы диэлектрик) раздвинула «обкладки» конденсатора — проводящие р-и я-области.
Гетерофотодиоды решают аналогичную задачу — «заставляют» фотоны по глощаться сразу в ОПЗ. Для этого облучаемый слой делают широкозонным, так чтобы ширина его запрещенной зоны <§g была больше энергии падающих фотонов hv («прозрачное окно»). Фотоны поглощаются в ОПЗ узкозонной под ложки, в ней <§g< hv.
Необходимо указать еще один тип фотодиодов — фотодиоды с Шотткибарьерами. Так называют выпрямляющие барьеры, которые возникают на кон тактах полупроводников со специально подобранными металлами. Примерами могут служить барьеры германий-золото, фосфид галлия — золото. Технология таких ФД может быть проще, чем с р-я-переходами. При подборе специаль ного металла энергетический барьер может стать уже ширины запрещенной зоны полупроводника, так что чувствительность продвигается в более далекую область. Пример здесь — барьер между кремнием p-типа и силицидом платины (Si:Pt), позволяющий «очувствить» кремний к ИК-излучению 3-1-5 мкм.
Можно в принципе регистрировать не только фототок ФД, но и другие электрические параметры. ФД может работать как фотоварикап (varicap: vari able capacitance). Если последовательно с ФД включить нагрузку, то возника ющий при облучении фототок вызовет падение напряжения на нагрузке, на пряжение на ФД снизится, что, как известно, приводит к росту емкости ФД. В режиме фотоварикапа ФД может применяться в параметрических схемах.
При холостом ходе фототок замыкается через внутреннее (собственное) со противление р -п -перехода, смещая его в прямом направлении. Так возникает фото-ЭДС. Для регистрации слабых оптических сигналов такой режим почти не применяется, но он используется в солнечных элементах для преобразова ния солнечной энергии в электрическую. Разработка солнечных элементов — это отдельное направление фотоэлектроники со своими задачами, своими кри териями оптимизации фоточувствительного элемента.
В последние годы достигнуты заметные успехи в создании ФД, включаю щих кванторазмерные структуры (квантовые ямы и точки, см. раздел 4).
Особую группу составляют фотоприемники с внутренним усилением. Если обычный фотодиод поставляет во внешнюю цепь в идеале один электрон на каждый поглощенный фотон, то в таких ФП за счет внутренних механизмов первичный фототок Ц усиливается в Кф раз. Рассмотрим представителей этой группы.
Лавинный фотодиод (ЛФД). При подаче большого напряжения на ФД в ОПЗ возникает сильное электрическое поле, носители (например, электроны) разгоняются в нем и набирают энергию больше ширины запрещенной зоны <gg на малой длине LH0H. Эта длина может стать меньше длины свободного пробе га Апр (между рассеяниями на фононах). Такой высокоэнергетичный электрон способен произвести акт ударной ионизации: при соударении с электроном ва лентной зоны он выбрасывает его в зону проводимости, отдавая ему свою энер гию (подобно акту фотоионизации). При ЬИ0Н< Апр ударная ионизация более вероятна, чем рассеяние.
Таким образом, после акта ударной ионизации имеются уже два свободных электрона — первичный и вторичный. А далее процесс повторяется: теперь два электрона разгоняются полем, после очередных соударений имеются уже 4, затем 8, 16 электронов и так далее (рис. 1.3.3). Возникает лавина, подобная камнепаду в горах. Впрочем, сложнее: второй носитель (дырка), дрейфуя в обратную сторону, тоже может набирать большую энергию и размножаться, тогда возникают лавинные цепи с обратной связью. Первичный фототок / ф может умножаться (усиливаться) в М = 10-г 100 и более раз.
ЛФД — капризный прибор, требующий высокой технологии при своем из готовлении. Не допускаются инородные включения в полупроводнике, приме няются специальные конструкции: это устраняет локальные и краевые пробои, обеспечивает однородное по площади умножение. ЛФД сложен в эксплуата ции: необходимо точно поддерживать на нем напряжение, причем разное при разных температурах. Но ЛФД стоит затраченных усилий: он вне конкуренции при регистрации слабых коротких лазерных импульсов. Усиливая сигнал (и, естественно, собственный шум), он «вытягивает» смесь сигнала с собственным шумом над уровнем шумов схемы. В этом случае говорят: «ЛФД подавляет шумы схемы».
Материалы, конструкции, структуры ЛФД также многообразны. Широ ко применяются ЛФД с разделенными областями умножения и поглоще
ния. |
Обе эти области |
сформированы в ОПЗ за счет вариации концентра |
ции |
примеси. Область |
умножения узкая (~0,5ч-2 мкм), но с сильным по |
лем (~3-г4 • 105 В/см), что достаточно для умножения. Область поглоще ния, напротив, с относительно слабым полем (~104 В/см), но широкая (~50-г150 мкм), что обеспечивает поглощение излучения широкого спектраль-
Р и с. 1.3.3. Условная схема ударной ионизации в лавинном фотодиоде одним типом носителя (электроном)
ного состава (как известно, от длины волны зависит и глубина поглоще ния). В такой конструкции удается получить относительно малое рабочее напряжение UPat>'-
и раб = (з |
105— 2 10~4 с м ч - 4 |
105— 0,5 • 10-4 см ) + |
|
\ |
см |
см |
) |
|
+ 104— |
(50-Г 150) |
10~4 см «70-^200 В. (1.3.1) |
|
см |
|
|
Биполярный фототранзистор и другие. При облучении любого полупро водникового прибора с р-я-переходом генерированные фотоносители разделя ются р-я-переходом, как мы это видели на примере фотодиода. Освещение р-я-перехода эквивалентно параллельному подключению к нему генератора первичного фототока 1ф (рис. 1.3.4). В биполярном транзисторе в общем слу чае в базу втекает первичный фототок, генерированный на двух переходах: база-эмиттер и база-коллектор. Как известно, ток коллектора превышает ток
базы в /3 раз (/3 так и называют — «коэффициент усиления по току»). Поэтому выходной фототок составляет ДГф.
Обычно коллектор по площади превосходит эмиттер, на то он и коллек тор — «собиратель» инжектированных эмиттером носителей. В фототранзи сторе площадь коллектора не просто больше, а много больше площади эмит тера, что обеспечивает большую фотоприемную площадку и собирание но сителей из тонкой базы, а тонкая база — это значит малые рекомбина ционные потери (рис. 1.3.4а). В такой конструкции области фотогенерации и усиления разделены: слева сформирован ФД, а справа на той же под ложке транзистор; электрически они соединены. Эта конструкция особенно
hv |
наглядно |
показывает, |
что фото |
||||
транзистор |
можно |
рассматривать |
|||||
|
как |
простейшую |
интеграль |
||||
|
ную |
схему, составленную |
из |
||||
|
ФД и |
биполярного |
транзистора |
||||
|
(рис. 1.3.46). |
|
|
|
|||
|
В полевом транзисторе с управ |
||||||
|
ляющим р-я-переходом первичный |
||||||
|
фототок /ф возникает на перехо |
||||||
|
де между подложкой (затвором) и |
||||||
|
истоком-каналом-стоком. Во вход |
||||||
|
ную цепь затвора нужно включить |
||||||
|
нагрузку R, чтобы на ней возникло |
||||||
|
падение напряжения U3 = I$R. Как |
||||||
|
известно, это напряжение управля |
||||||
|
ет током стока 1С: |
|
|
|
|||
|
/с = GU3 = GRI$ |
(1.3.2) |
|||||
|
Здесь G — крутизна полевого |
||||||
Р и с . 1.3.4. Биполярный фототранзистор: типо |
транзистора. Как видим, в этом |
||||||
вая структура (а); фототранзистор можно рас |
случае |
усиление |
составляет |
GR |
|||
сматривать как простейшую интегральную схе |
раз. |
|
|
|
|
|
|
му: соединение фотодиода с «обычным» транзи |
Механизм работы фототиристо |
||||||
стором (б); освещение транзистора равносиль |
|||||||
ра идентичен: переключение |
этого |
||||||
но включению между базой и коллектором (или |
|||||||
эмиттером) генератора тока (фототока) (в), или |
прибора осуществляется генерато |
||||||
иначе: в схеме (б) мы заменили фотодиод его |
рами не тока, а фототока (освеще |
||||||
эквивалентом и получили схему (в) |
нием). Все указанные |
фотоприем |
|||||
|
ники можно сделать составными: к соответствующему р-я-переходу обычного транзистора или тиристора подключить параллельно фотодиод.
Фоторезистор (ФР). Вряд ли можно представить себе более простую структуру фотоприемника, чем у фоторезитора: это кусок полупроводника с двумя электрическими контактами. Генерированные излучением фотоносители
с концентрациями Ап, Ар увеличивают проводимость (эффект фотопроводи мости). Прибор пассивный: зарегистрировать изменение проводимости мож но только при подаче внешнего напряжения. Но удивительно, что в такой простой структуре есть внутреннее усиление, поэтому мы и рассматриваем ФР в ряду других ФП с внутренним усилением. Механизм усиления схе матически иллюстрирует рис. 1.3.5. Для конкретности выбран полупроводник я-типа проводимости. На рис. 1.3.5а показано исходное состояние: напряжение не подано, облучения нет, изображена «колонна» подвижных основных носи телей — электронов, а также неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Естественно, заряды электронов и ионизированных доноров взаим но компенсируются. При подаче внешнего напряжения (рис. 1.3.56) «колонна» электронов дрейфует против поля и уходит в правый контакт, пытаясь «ого-
Р и с. 1.3.5. Фоторезистор: а) ме ханизм усиления первичного фо тотока основных носителей — электронов (схематически): за ряд свободных электронов ком пенсируется положительным за рядом (дырок): б) циркуляция электронов через внешнюю цепь при подаче напряжения: электро ны уходят в правый контакт, на смену им приходит ровно такое же количество электронов из ле вого контакта; в) облучение: фо
тоэлектроны присоединяются к циркуляции темновых электро нов
лить» остов положительно заряженных доноров. Но тут же из левого контакта взамен ушедшим приходят в том же количестве новые электроны, чтобы ском пенсировать положительный заряд доноров и сохранить электронейтральность. Можно сказать иначе: «оголенные» доноры притягивают из левого контакта электроны. Так возникает непрерывная циркуляция электронов через внеш нюю цепь подобно потоку воды в трубе под давлением. Пусть теперь произо шел единичный акт фотогенерации (рис. 1.3.5в). Новорожденный фотоэлектрон присоединяется к циркуляции темновых. Как только фотоэлектрон уйдет в пра вый контакт, на смену ему из левого также приходит новый электрон. Время пролета от контакта до контакта обозначим через тпр0л- Через каждый отрезок времени т пр0л во внешнюю цепь поступает дополнительный фотоэлектрон. И так будет продолжаться в течение всего времени жизни т ж генерированного
фотоэлектрона до момента его рекомбинации. За это время во внешнюю цепь успеет поступить тж/ т пр0л электронов. Сравните: в ФД на один поглощенный фотон во внешнюю цепь в идеале поступал только один электрон. Естествен но, коэффициент усиления первичного фототока Кф = тж/тпрол увеличивается
сростом приложенного к ФР напряжения: скорость дрейфа электронов растет,
тпрол падает. Естественно, в отсутствие напряжения направленного дрейфа нет,
поэтому Тпрол -►оо, Кф = 0.
Теперь о дырках. При омическом контакте через него во внешнюю цепь «просачиваются» только основные носители — электроны, так что контак ты блокируют сквозной ток фото- и термогенерированных дырок. Поэтому на рис. 1.3.5 отображалось только движение электронов. Процесс переноса неосновных носителей будет детально рассмотрен во второй книге.
В начале этого раздела мы говорили о простоте фоторезистора. Но раз работчики не согласятся с этим и будут совершенно правы. Разработка ФР — этого «куска полупроводника с двумя контактами» — часто требует не меньших усилий, чем разработка других типов ФП. Необходимо оптимизировать струк туру энергетических уровней в полупроводнике, согласовать толщину образца с глубиной поглощения излучения, минимизировать рекомбинацию на поверх ности. Особое внимание необходимо уделять созданию контактов, снижению избыточных шумов. Все это требует совершенной технологии.
Различны материалы, топология, число площадок в различных типах фо торезисторов. Изготавливаются дешевые ФР для автоматики и экспонометрии. И другие — едва ли не самые дорогие среди всех фотоприемников — линейки и матрицы примесных ФР, охлаждаемые до гелиевых температур. Здесь вооб ще говорить о простоте не приходится: разработка фотоприборов с линейками или матрицами таких ФР для космических задач — пожалуй, одно из самых технически сложных направлений фотоэлектроники.
В примесных ФР носитель выбрасывается в зону с мелкого примесного уровня, для чего достаточно малой энергии фотона hi/, рис. 1.3.16. Стало быть, возможно регистрировать длинноволновое инфракрасное (ИК) излучение. Фо тодиоды, к сожалению, оказываются беспомощными перед примесным фото эффектом: пара «свободный носитель заряда — ионизированная примесь» не может диффундировать к переходу, так как примесь неподвижна. Исключе ние составляют полупроводники со столь большой концентрацией примеси и, следовательно, со столь близким расположением примесных атомов, что они способны обмениваться зарядами, иначе говоря, образуют примесную зону.
Особый класс — это ФР из поликристаллических материалов. Описанная выше модель фотопроводимости здесь не всегда пригодна, существенную роль играют барьеры между кристаллами. Исследование механизмов фотопроводи мости в таких материалах продолжаются.
Наиболее широко для регистрации слабых сигналов применяются ФД. Они часто превосходят другие типы рассмотренных ФП по соотношению сигнал/