2. СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В работах [89, 90] представлены три современных варианта конструкции ГС, разработанных на основе базовой конструкции ГС для однокристального преобразователя–усилителя света с ПООС

(см. [71 – 74]):

1– p–n–p–n-ГС с узкозонным коллектором, содержащая ГФТ p–n–p-типа с коллектором, у которого ширина запрещенной зоны меньше, чем ширина активной области СИД;

2– p–n–p–n-ГС с широкозонным коллектором, содержащая ГФТ p–n–p-типа с коллектором, у которого ширина запрещенной зоны больше, чем ширина активной области СИД;

3– n–p–n–p-ГС, содержащая ГФТ n–p–n-типа с узкозонным коллектором.

Состав, толщина слоев и легирующая примесь для p–n–p–n- ГС с узкозонным коллектором приведены в табл. 2.1.

Первый слой – технологический слой между подложкой и ГС – буферный слой – предусмотрен для улучшения смачиваемости поверхности подложки раствором-расплавом и для предотвращения островкового роста;

41

второй слой – широкозонный эмиттер ГФТ; третий слой – база ГФТ; четвертый слой – коллектор ГФТ;

пятый слой – эмиттер p-типа СИД; шестой слой – активная область СИД; седьмой слой – эмиттер n-типа СИД;

восьмой слой – сильнолегированный контактный слой. Энергетическая диаграмма p–n–p–n-ГС с узкозонным коллекто-

ром в несмещенном состоянии, при прямом смещении (до перехода в открытое состояние) и в открытом состоянии, вместе с процессами генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенными во времени, а также тип проводимости и состав слоев ГС условно изображены на рис. 2.1. ГС состоит из p–n–p-ГФТ и p–p–n-СИД в ИК области, эмиттер p-типакоторого совмещен сколлектором p-типаГФТ.

Рис. 2.1. Энергетическая диаграмма p–n–p–n-ГС с узкозонным коллектором в несмещенном состоянии (a), при прямом смещении (b) и в открытом состоянии (c)

42

ГС подключается к источнику питания последовательно с ограничительным резистором таким образом, чтобы коллекторный переход ГФТ смещался в обратном направлении. В зависимости от величины напряжения источника питания, уровня внешней подсветки и номинала ограничительного резистора ГС может находиться в одном из трех состояний:

–в закрытом состоянии, когда через ГС протекает ток, меньший, чем ток включения;

–в открытом состоянии, когда через ГС протекает ток больший чем ток удержания;

–в бистабильном состоянии, когда через ГС протекает ток, больший, чем ток включения, но меньший чем ток удержания.

Спрактической точки зрения наибольший интерес представляет работа ГС в режиме "оптического ключа" – перехода из закрытого состояния в открытое под воздействием внешнего излучения в случае, когда напряжение источника питания не превышает напряжения пробоя коллекторного перехода ГФТ. Рассмотрим физические процессы, протекающие в ГС при работе в режиме "оптического ключа".

Основное падение напряжения, прикладываемого к ГС, падает на коллекторном переходе ГФТ, так как он смещен в обратном направлении. Входное излучение вводится в ГС через широкозонные эмиттеры и активную область СИД и поглощается в коллекторном переходе ГФТ, где генерируются и разделяются электроннодырочные пары. Электроны инжектируются в базу ГФТ и смещают переход эмиттер-база в прямом направлении, а дырки инжектируются в активную область СИД и смещают излучающий переход в прямом направлении. Из эмиттера p-типа в базу ГФТ инжектируются дырки, а в активную область СИД из эмиттера n-типа инжектируются электроны. Ток через ГС возрастает и происходит перераспределение напряжения источника питания между тремя гетеропереходами ГС и ограничительным резистором. Одновременно возрастает интенсивность излучательной рекомбинации носителей в активной области СИД.

Большая часть излучения СИД, с учетом внутренних потерь и выводимого из кристалла излучения, поглощается в коллекторном переходе ГФТ. Это приводит к образованию ПООС между СИД и ГФТ и, следовательно, к возрастанию тока через ГС. Когда ток через ГС превысит ток включения, ГС перейдет в открытое состояние и

43

ток через ГС возрастет до величины, определяемой ограничительным резистором в цепи питания.

Состав, толщина слоев и тип проводимости слоев для n–p–n–p-ГС приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Состав, толщина слоев и тип проводимости слоев для n–p–n–p-ГС

Первый слой – широкозонный эмиттер ГФТ, одновременно выполняющий функции буферного слоя;

второй слой – технологический слой, необходимый для оптимизации условий формирования эмиттерного перехода ГФТ (подробно назначение этого слоя рассмотрено в главе 3);

третий слой – база ГФТ; четвертый слой – коллектор ГФТ; пятый слой – эмиттер n-типа СИД;

шестой слой – технологический слой, необходимый для оптимизации условий формирования излучающего перехода СИД (подробно назначение этого слоя рассмотрено в главе 3);

седьмой слой – активная область СИД;

восьмой слой – эмиттер p-типа СИД и одновременно контактный слой.

Энергетическая диаграмма n–p–n–p-ГС в несмещенном состоянии, при прямом смещении (до перехода в открытое состояние) и в открытом состоянии вместе с процессами генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенными во времени, а также тип проводимости и состав слоев ГС условно изображены на рис. 2.2.

44

рокозонным коллектором те же что и у p–n–p–n-ГС с узкозонным коллектором. Различается лишь механизм доставки основных носителей в базу ГФТ.

Вслучае ГС с широкозонным коллектором поглощение излучения, генерация электронно-дырочных пар и последующее разделение их полем ОПЗ коллекторного перехода ГФТ происходят непосредственно в базовой области ГФТ.

Вслучае ГС с узкозонным коллектором механизм доставки основных носителей в базу ГФТ усложняется. Интенсивное поглощение излучения и генерация электронно-дырочных пар начинаются на границе между узкозонным коллектором ГФТ и широкозонным эмиттером СИД. При этом только часть носителей, генерированных излучением в узкозонном коллекторном слое вне области пространственного заряда, диффундирует к ОПЗ и переносится в базу ГФТ.

С увеличением толщины узкозонного коллекторного слоя ГФТ возрастает доля поглощаемого излучения, но при этом эффективность механизма доставки основных носителей в базу ГФТ снижается.

Таким образом, существует оптимальная толщина узкозонного коллекторного слоя ГФТ, при которой количество основных носителей, доставляемых в базу ГФТ, будет максимальным. Очевидно, что оптимальная толщина ограничена либо диффузионной длиной неосновных носителей в коллекторном слое, либо длиной свободного пробега фотонов воздействующего излучения.

Антистоксово преобразование длины волны излучения в разработанных вариантах конструкции ГС достигается за счет разной ширины запрещенной зоны у базового слоя ГФТ (ширина запрещенной зоны которого определяет длинноволновую границу области спектральной чувствительности ГС) и активной области СИД, ширина запрещенной зоны которого определяет коротковолновую границу области спектральной чувствительности и длину волны в максимуме спектра электролюминесценции ГС.

Отметим, что для возникновения ПООС в ГС необходимо, чтобы скорость рекомбинации неравновесных носителей в базе ГФТ не превышала скорости доставки этих носителей в базу ГФТ, основной вклад в которую вносит скорость излучательной рекомбинации в активной области СИД.

46