Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009
.pdf464 |
Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ |
внутреннее отражение на границе раздела полупроводник
воздух. В результате из-за многократных переотражений от границ (рис. 16.9) происходит значительное поглощение света в
полупроводнике, и только малая часть энергии излучения вы
ходит из светодиодов простейшей плоской конструкции. Светодиоды на основе фосфида арсенида галлия (см. рис. 16.9)
получают наращиванием эпитаксиального слоя 2 на подлож
ку из арсенида галлия 1. Излучаемый в области р-п-перехо да 3 свет падает на подложку 1 и частично поглощается, что приводит к дополнительным потерям энергии. При более про
грессивной технологии эпитаксиальный слой 2 выращивают на прозрачной подложке из фосфида галлия с отражающим нижним покрытием 4. Это увеличивает выход полезного излу чения. Внешний квантовый выход можно также увеличить за счет применения более сложных конструкций светодиодов. На рис. 16.10 показано устройство одного из типов таких светоди
одов (3 - п-база, выполненная в виде полусферического моно кристалла полупроводника, 1 и 2 - металлические контакты,
4 - эмиттер). Для повышения КПД светодиодов применяют
прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс
с высоким показателем преломления, просветляющие (проз
рачные для излучаемых волн) покрытия внешней поверхности
прибора и т. д.
Излучения различного цвета в индикаторах или индикатор ных матрицах (см. гл. 15) реализуют в светодиодах с несколь
кими переходами. Пример двойной диодной структуры, кото
рая излучает красный или зеленый свет, либо тот и другой од новременно, показан на рис. 16.11, где 1 и 2 - контакты к
р-областям диода, генерирующим соответст~енно красный и зеле
ный свет; 6 - подложка; 4 и 5 - |
р-п-переходы соответственно |
|
для красного и зеленого диодов; 3 - |
n-GaP общий контакт. |
|
2 |
3 |
|
|
|
2 |
1 |
4 |
1 2 4 |
1 |
n-GaP |
6 |
Рис. 16.9 |
|
Рис. 16.10 |
|
Рис. 16.11 |
|
466 |
Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ |
Фотоприемники являются кр~не важной составной частью оптоэлектронных информационных систем. Потребности опто
электроники стимулировали создание фотоприемников, обладаю
щих высокими быстродействием и чувствительностью, работаю
щих в самых различных диапазонах длин волн, имеющих хоро
шие эксплуатационные характеристики и т. д. Перспективы развития оптоэлектроники в значительной мере определяются уровнем достижений в разработке фотоприемных устройств.
16.4.1. Фоторезисторы.
Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или плен ку полупроводника 1 с омическими контактами 2 на двух проти воположных концах (рис. 16.12), к которым подключается элект рический источник питания с напряжением И. Полупроводник обычно наносится на стеклянную подложку 3. Наиболее распро странены фоторезисторы на основе CdS и CdSe, работающие в длинноволновой части видимой области спектра. Фоторезисторы, изготовленные на основе PbS и PbSe, имеют наибольшую чувст
вительность в ИК диапазоне (Л. - 3 ... 5 мм). В ИК диапазоне ра
ботают также фоторезисторы на основе Ge, Si, GaAs, InSb и т. д.
Падающее на поверхность фоторезистора излучение генери рует в нем свободные носители за счет собственного или примес ного поглощений (см. п. В отсутствие светового потока
проводимость фоторезистора называется темновой и описывает
ся формулой (см. п. 1.3) а= q(µnn + µрР). Под действием оптиче
ского излучения за счет роста числа неравновесных свободных носителей происходит увеличение проводимости (и, следова тельно, тока):
сrФ = q[µn(n + Лп) + µР(р + Лр)] =а+ Лсr,
где Лп, Лр - соответственно концентрации неравновесных
электронов и дырок, Лсr-фотопроводимость.
Для полупроводника с электронной
проводимостью (в случае примесной (до
норной) фотопроводимости или при усло
|
вии, что дырки сразу же после рекомбина- |
||
1 |
ции захватываются центрами рекомбина- |
||
# fUUf # # # # |
ции |
) |
фототок I Ф имеет толь~о электронную |
f'f f'f f'f * f'f *· f'f ff 3 |
|
||
f'f f'f f'f ff f'f f'f f'f f'f |
составляющую и определяется соотноше- |
||
L |
нием |
|
|
Рис. 16.12 |
|
|
(16.1) |
Глава 16. Оптоэлектронные приборы |
467 |
Здесь пФ= Л'п - концентрация фотоэлектронов, vдР = L/tпp -
их скорость дрейфа, определяемая временем пролета tпр рас
стояния L между контактами фоторезистора, S - площадь по перечного сечения светочувствительного слоя (перпендикуляр ного направлению вектора плотности тока), V = LS - объем по
лупроводника (см. рис. 16.12).
В стационарных условиях облучения и протекания постоян
ного фототока скорость генерации носителей в единице объема
Gген = N ~/V равна скорости их рекомбинации Gрек = пФ/t:
(16.2)
где время жизни 't является количественной характеристикой интенсивности рекомбинации, а N ~ - полное число фотонов,
падающих на светочувствительную поверхность (площадью А) в единицу времени. (Предполагается, что толщина прибора
больше глубины проникновения света.)
Очень важный параметр фоторезисторов - коэффициент внут
реннего усиления фототока Кш определяемый отношением чис
ла фотоносителей, проходящих через прибор в единицу време
ни (фототок JФ), к полному числу квантов оптического излуче
ния, падающих на светочувствительную площадку в единицу
времени (исходный ток /Фи), т. е.
(16.З)
Выражение для фототока I Фи= qпФV /'t получается умножени ем формулы (16.2) на заряд носителя q.
После подстановки в формулу (16.3) этого выражения и соот ношения (16.1) для фототока IФ получим выражение для коэф
фициента внутреннего усиления в виде
KR = 't/tпp' |
(16.4) |
где (tпр)-1 = v06p/L, tпр - время пролета носителей между кон-
тактами фоторезистора (см. рис. 16.12). · Подчеркнем еще раз, что формула (16.4) получена для полупро
водника с электронной проводимостью. Кроме того, считается, что генерация свободных носителей происходит только за счет облуче
ния, т. е. не учитывается термогенерация носителей. В приборах с
большим временем жизни носителей 't и малым расстоянием L
между контактами коэффицие11т усиления может быть значитель
ным, особенно в высокоомных полупроводниках (Кя ~ 106 ••• 108).
468 |
Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ |
В полупроводниках, обладающих повышенной фотопроводи мостью, КR имеет меньшие значения из-за падения подвижности и насыщения дрейфовой скорости (см. п. 1.3).
Постоянная времени релаксации •рел фотопроводимости после прекращения оптического возбуждения пропорциональна време ни жизни электронов 't. Время же фотоответа (фотоотклика) оп ределяется временем пролета свободных носителей между кон тактами прибора, т. е. величиной tпр· Поскольку для фоторезис торов характерны большие расстояния между контактами и слабые электрические поля, их время фотоответа обычно больше,
чем у фотодиодов. Помимо коэффициента внутреннего усиления
и постоянной времени релаксации, к основным параметрам фото резистора (как и большинства фотоприемников) относятся:
монохроматическая чувствительность SФ(Л,), которая определяет
ся отношением фототока I Ф к полной мощности монохроматиче·
ского излучения Ризл с длиной волны А, падающей на чувстви
тельную площадку фоторезистора, т. е.
|
(16.5) |
интегральная чувствительность |
|
SФ. инт = f SФЛ dЛ, А/Вт, |
(16.6) |
где sф~ - спектральная плотность чувствительности (измеряе
мая в А/(Вт ·мкм), если длина волны Л выражена в мкм);
время нарастания (спада) tнр(сп) фототока, которое обычно опре
деляется между уровнями 0,1и0,9 амплитуды импульса фото
тока при воздействии на фоторезистор идеально прямоугольно
го импульса излучения; при экспоненциальном нарастании и
спаде фототока время нарастания (спада) связано со временем
релаксации соотношением tнр(сп) = 2,2't~ел;
граничная частота fгр• которая определяется частотой модуля
ции оптического излучения, соответствующей уменьшению
чувствительности до уровня О, 707 от чувствительности для не
модулированного излучения;
обнаружительная способность (см. [20]) |
|
D* = SФ(А)jAЛf/i~, |
(16.7) |
гдеD* измеряется в СМ.вт-1 • Гц112; ~ - |
среднеквадратическое |
значение шумового тока (см. гл. 22); Лfрабочая полоса частот
Глава 16. Оптоэлектронные приборы |
471 |
',~. Одним из основных фа:кторов, опреде.Ляющих квантовую эф
~1фективность 1'\, .являете.я коэффициент поглощения. На рис. 16.2
~··приведены зависимости коэффициентов поглощения Ge, Si и
~GaAs от дл~ны волны. Для Ge, Si и полупроводниковых соеди
. пений типа лшвv при увеличении температуры кривые сдвига i.Ются в область больших длин волн. В УФ и видимой областях
'·спектра хорошую квантовую эффективность имеют фотодиоды
.с контактом металл-полупроводник. Кремниевые диоды обла
.,n;ают высокой квантовой эффективностью в области длин волн
0,8 ...0,9 мкм, германиевые - на Л - 1... 1,6 мкм.
Инерционность фотодиодов (время фотоотклика) определяется временем диффузии носителей в обедненной области, временем дрейфа через обедненную область и емкостью обедненной облас ти. Для уменьшения времени диффузии электрический переход ~ормируют вблизи поверхности. Размер обедненной области пе
'рехода должен быть порядка 1/а, чтобы основная доля фотонов
;поглощалась в ней. Однако обедненная область перехода не
,до.Лжна быть.и слишком широкой, иначе время пролета носите•
'лей через нее будет велико, а это ухудшает время фотоответа.
В узких переходах велика емкость и инерционность растет за
.•.счет большой постоянной времени RC (R - сопротивление нагрузки). Оптимальна.я ширина (толщина) обедненного слоя ре
. ализуется, если время переноса носителей по порядку величи
~ :в:ы соответствует половине периода модуляции излучения, что
~при частоте модуляции f - 10 ГГц составляет величину - 5 мкм.
~
~р-i-n-фотодиоды. На рис. 16.14 предстэ,влены разновиднос-
1ти устройствар-i-n-фотодиодов с освещением перпендикуляр
.. но переходу (рис. 16.14, а) и освещением параллельно переходу
(рис. 16.14, б). Здесь 1 - просветляющее покрытие, позволяю
щее увеличивать квантовую эффективность; 2 - металлические контакты; 3 - слой окиси кремния Si02 ; 4 - отражающее по-
1 |
hv |
2 3 |
2 |
4 |
|
|
-- |
\ |
/ |
r; |
|
р+ |
pf |
|
|
pf |
|||
|
|
|
||
|
|
hv=:: |
i |
|
|
|
pf |
||
|
п+ |
|
п+ |
pf |
|
|
|
\ |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
а) |
|
б) |
|
|
|
Рис. 16.14 |
|
|