Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

2.3. Φоторезисторы с примесной проводимостью

При поглощении квантов света только примесными центрами необходимо учитывать один тип носителей заряда, которые появляются при ионизации примесного центра. Если в полупроводнике имеется только донорная примесь, концентрация свободных электронов и неионизированной примеси определяется из уравнения электронейтральности N месной проводимости необходимо выбирать рабочую температуру, чтобы концентрация свободных электронов была гораздо меньше, чем донорных центров.

При освещении полупроводника часть доноров ионизируется за счет взаимодействия с квантами излучения. Скорость генерации при этом равна

– n = 0. Для работы фоторезистора на при-

(х) = ηλαλ(1 – rλ)Φλexp (–αλx). (2.21)

Скорость тепловой генерации зависит от числа электронов на неионизированных донорных центрах Nд и температуры окружающей среды так, что Gт = ANдexp(–Eд/kT).

Константа А определяется из условия равновесия Gт = r, где r – скорость рекомбинации.

Скорость рекомбинации пропорциональна полной концентрации носителей заряда n = n + Δn и числу состояний на ионизированных донорах (β–1)N

r = σ

, где β – фактор вырождения донорного уровня:

пов νпов (n0

+ Δn)N

/β. (2.22)

Общее уравнение непрерывности для электронов запишется в виде

GrG jq

=-+-

тф

div

()

. (2.23)

Решая это уравнение при условии равновесия, получаем

Δn(x) = ηλαλ(1 – rλ)Φλexp (–αλx)/rτN

где rτ = σ

/β – коэффициент рекомбинации.

повνn

, (2.24)

Зная избыточную концентрацию носителей заряда, можно оценить изменение проводимости фоторезистора.

2.4. Φоторезисторы с областью пространственного

заряда на поверхности

Основным недостатком фоторезисторов, в которых используется эффект объемной фотопроводимости, является невысокое темновое сопротивление, для повышения которого требуется глубокая очистка материала или снижение рабочей температуры. Более простой способ увеличения темнового сопротивления заключается в создании области пространственного заряда, обедненной подвижными носителями. Примером такой структуры с такой областью может служить МДП-структура. В режиме плоских зон это будет обычный фоторезистор. При «обеднении» или неглубокой «инверсии» фоточувствительность можно увеличить, поскольку проводимость приповерхностной области ниже, чем в объеме.

На рис. 2.1 представлена конструкция фоторезистора со структурой диэлектрик–полупроводник, где положительный заряд, встроенный в диэлектрик, обеспечивает наличие инверсного слоя на поверхности р-полупроводника. При попадании на фоторезистор излучения генерируются пары носителей заряда, которые разделяются полем области пространственного заряда (ОПЗ) и проводимость инверсной области увеличивается.

Рис. 2.1. Пример конструкции фоторезистора с объемным

пространственным зарядом

Изгиб зон и зависимость потенциала от координаты в области пространственного заряда W

, где концентрация электронов отли-

ОПЗ

чается от объемной, находится из решения уравнения Пуассона для области пространственного заряда. После решения уравнения Пуассона можно рассчитать концентрацию свободных носителей, а, следовательно, и проводимость приповерхностной области.

Избыточная концентрация носителей заряда при освещении (например, для дырок Δр) на поверхности и в области пространственно-

го заряда структуры диэлектрик–полупроводник, с учетом поверхностной рекомбинации, определяется из стационарного уравнения непрерывности:

ΔΔ

Drx

-+ - - - =. (2.25)

1[1exp]0

αΦ α

() ( )

λλλ λ

После решения уравнения непрерывности и нахождения Δр(х) при условии Δр = Δn можно вычислить общую фотопроводимость структуры, включая фотопроводимость на поверхности и в области пространственного заряда.

Из расчета токов, протекающих через фоторезистор, при наличии освещения и фонового сигнала показано, что при определенных условиях интегральная чувствительность фоторезистора с поверхностным изгибом зон может быть выше у резисторов, изготовленных из того же материала с минимальным содержанием легирующей примеси, работающего в режиме ограничения фоном.

Вклад области пространственного заряда в общую фотопроводимость фоторезистора возрастает с увеличением коэффициента поглощения, т.е. в коротковолновой области спектра.

Кинетика фотопроводимости при наличии ОПЗ и учетом поверхностных состояний определяется многими факторами, в том числе:

– скоростью обмена носителями заряда между объемом полупроводника и поверхностными состояниями, включая рекомбинацию и прилипание;

– установлением равновесного состояния в объеме;

– установлением стационарного распределения носителей заряда при учете их диффузионно-дрейфового движения.

3.ΦОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ

3.1. Конструкция и основные принципы работы фотовольтаических приемников

В отличие от фоторезистора в приборах, работающих на фотовольтаическом эффекте, специально создаются потенциальные барьеры для подвижных носителей заряда, генерированных излучением, с помощью которых происходит их разделение. Рассмотрим некоторые особенности работы фотоприемников с потенциальным барьером, созданным различными методами.

На рис. 3.1 представлены структура и вольт-амперная характеристика фотоприемника с p–n-переходом.

Рис. 3.1. Структура фотоприемника с p–n-переходом (а) и вольт-

1 – без освещения; 2 – при освещении; Iф – фототок фотодиода;

IR, UR – соответственно ток и напряжение фотопреобразователя при

сопротивлении нагрузки Rн; заштрихованная площадь – мощность,

снимаемая с фотопреобразователя; I

амперная характеристика фотодиода (б):

– ток короткого замыкания;

– напряжение холостого хода

х.х

к.з

Когда оптическое излучение попадает перпендикулярно плоскости р–n-перехода, поглощение квантов происходит в различных областях структуры. Коротковолновые фотоны с большим коэффициентом поглощения генерируют электронно-дырочные пары вблизи поверх-

ности, которые за счет диффузии движутся либо к поверхности, либо к области пространственного заряда, поэтому коротковолновая часть спектральной характеристики будет определяться временем жизни на поверхности и в объеме фронтальной области. Для повышения чувствительности в коротковолновой области желательно располагать p–n-переход ближе к освещаемой поверхности и повышать время жизни носителей заряда. Длинноволновая граница спектральной чувствительности прибора определяется временем жизни в тыльной (базовой) области и коэффициентом поглощения, соответствующим краю полосы основного поглощения. На рис. 3.2 представлена зонная диаграмма фотодиода с указанными направлениями движения фотогенерированных подвижных носителей заряда.

Рис. 3.2. Зонная диаграмма фотопреобразователя

1 – фотогенерация электронно-дырочной пары; 2 – рекомбинация

фотогенерированных пар через глубокие центры; 3 – перенос гене-

рированных носителей через потенциальный барьер; W

с p–n-переходом при освещении:

ОПЗ; Wn и Wp – базовая ширина n- и p-типа

– ширина

ОПЗ

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим) (рис. 3.3). Φотодиод при этом работает генератором фото-ЭДС.

На фотоприемник с p–n-переходом можно подать обратное смещение и увеличить область пространственного заряда за счет квазинейтральной области, при этом растет фоточувствительность прибора и у длинноволнового края. Однако при подаче обратного

Рис. 3.3. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик

в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода

смещения возрастает темновой ток, увеличиваются шумы и ухудшаются пороговые характеристики. На рис. 3.4 изображены спектральные характеристики кремниевого фотоприемника в зависимости от внешнего смещения, а на рис. 3.5 – спектральная характеристика фотодиода с различной толщиной освещаемой области.

Как видно из рисунков, увеличение смещения и уменьшение глубины залегания p–n-перехода повышают чувствительность, в одном случае в длинноволновой (уменьшение длины квазинейтральной базы), а в другом – в коротковолновой части спектра.

Рис. 3.4. Влияние обратного смещения на спектральную характеристи-

ку чувствительности фотодиода с р–п-переходом

Приблизить ОПЗ к освещаемой поверхности можно, используя вместо p–n-перехода контакт металл–полупроводник (барьер Шоттки). Область пространственного заряда контакта металл–полупро-

Рис. 3.5 Влияние глубины залегания р–п-перехода на спектральную

характеристику чувствительности фотодиода

водник находится непосредственно у поверхности, и часть падающих квантов излучения hν ≥ Eg, пройдя металл, генерирует носители заряда непосредственно в ОПЗ полупроводника. Слой металла, нанесенный на полупроводник, должен быть достаточно тонким (полупрозрачным), чтобы в нем не происходило заметного поглощения. Однако даже тонкий слой металла приводит к сильному отражению излучения от его поверхности.

Кроме того можно использовать эффект поглощения квантов в самом металле, если свободный электрон в металле приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера со стороны металла.

Еще одна возможность расширить спектральный диапазон фотоприемника в коротковолновую область – это использовать вместо гомо- p–n-перехода гетеропереход, причем освещать более широкозонную область. В этом случае коротковолновые кванты, которые ранее поглощались в приповерхностной области p–n-перехода, будут свободно проходить через широкозонный материал и поглощаться в области пространственного заряда узкозонного полупроводника. Благодаря такой же конструкции расширение спектрального диапазона происходит не только за счет уменьшения роли поверхностной рекомбинации, но и за счет поглощения коротковолновых квантов в широкозонном материале.

Φотоприемники со структурой диэлектрик–полупроводник и металлическим электродом объединены в один класс полупроводниковых МДП-приборов, хотя по принципу действия и по параметрам эти приборы могут принципиально отличаться друг от друга. Если диэлектрик туннельно прозрачен, т.е. возможен туннельный перенос через него носителей заряда, конструкция мало отличает-

ся от фотодиода с барьером Шоттки. В фотоМДП-диодах с толстым непрозрачным для туннельного переноса диэлектриком ток не течет. В этом случае для регистрации сигнала используется эффект разделения генерированных в области пространственного заряда полупроводника носителей, приводящий к фотовольтаическому эффек ту, аналогичному тому, который наблюдается в p–n-переходе в отсутствие внешнего смещения. Для регистрации квантов излучения можно использовать изменение емкости МДП-структуры за счет генерации избыточных носителей заряда, такой прибор носит название МДП-фотоварикап. В МДП-структурах темновой ток значительно меньше тока обратносмещенного перехода, поэтому регистрация изменения емкости значительно проще, измерения проще, ошибки измерения меньше, точность измерения выше.

Во всех перечисленных конструкциях фотодиодов каждый по-

глощенный квант с энергией hν > E

создает по крайней мере одну

электронно-дырочную пару. Если к переходу приложить напряжение, близкое к пробивному, или специально создать в структуре фотоприемника область сильного поля, то за счет лавинного размножения носителей заряда можно получить более одной электронно-дырочной пары на один поглощенный фотон. Такие фотоприемники с внутренним усилением называются лавинными фотодиодами (ЛΦД).

3.2. Материалы, используемые при изготовлении фотодиодов

Кремний, как наиболее технологически совершенный материал, может использоваться во всех перечисленных типах фотоприемников. Наиболее подходящим диапазоном для кремниевых фотодиодов является ближняя инфракрасная область 0,8…0,9 мкм, где соответствующим выбором конструкции можно достичь квантовой эффективности, близкой к 100 %. Длинноволновая граница спектра поглощения кремния λгр ≈ 1,1 мкм, в этой области коэффициент собственного поглощения мал, поэтому эффективность фотопреобразования невелика. В коротковолновой области коэффициент поглощения кремния α ≥ 105 см–1, все поглощение происходит в приповерхностной области, отсюда велики потери на поверхностную рекомбинацию и вклад коротковолновых квантов в спектральную чувствительность мал.

Кроме кремния в видимой и ИК областях спектра обычно применяются двойные, тройные и даже четверные полупроводниковые соединения и сплавы групп A

IIIBV

и AIIBVI с нужной шириной запрещенной зоны, которая определяет спектральный диапазон работы фотоприемника.

3.3. Параметры и характеристики фотодиодов

3.3.1. Φотодиоды с р–n-переходом

Электронно-дырочный переход представляет собой контакт двух областей полупроводникового материала различного типа проводимости. Существует много технологических приемов создания p–n-перехода, и каждый из них имеет характерный профиль распределения примеси вблизи металлургической границы. Основные физические принципы и положения теории работы р–n-перехода рассматриваются в курсе «Φизика полупроводниковых приборов», поэтому сразу перейдем к принципам работы p–n-перехода в качестве фотоприемника.

Параметры фотодиодов с p–n-переходом рассчитываются так же, как для обычных диодов, но с учетом скорости генерации носителей заряда квантами излучения определенной энергии G(λ, x), которая зависит от потока фотонов Φ циента поглощения αλ и расстояния х от поверхности фотодиодов, на которую попадет излучение:

,1expGx r x

λαΦ α=--. (3.1)

() ( )( )

Подставляя G(λ, x) в уравнение непрерывности – div (jn)/q, решаем его для n-области толщиной Wбn и р-области тол-

щиной Wбp с учетом граничных условий, согласно которым все носители заряда, подошедшие к поверхности, рекомбинируют, а все носители заряда, подошедшие к области пространственного заряда, переносятся полем в квазинейтральные области противоположного типа проводимости. Получаем распределение избыточных носителей заряда в квазинейтральных областях.

Выражение фототока можно получить, рассчитав дрейфовую и диффузионную составляющие:

, коэффициента отражения rλ, коэффи-

λλ λ λ

nt¶

= G – r –

IAqED

=μ−

λ−

⎡⎤

pn p p

⎢⎥ ⎣⎦

. (3.2)

Часть квантов, которые поглощаются непосредственно в области пространственного заряда шириной W

, генерируют электронно-

ОПЗ

дырочные пары и вызывают ток.

Общий фототок равен сумме токов за счет генерации носителей заряда в квазинейтральных областях и области пространственного заряда. Если полученное значение общей плотности тока на данной

длине волны отнести к количеству квантов, поглощенных во всех областях фотодиода, можно определить квантовую эффективность:

ηΦ=-. (3.3)

λλ λ λ

общ

1jq r

()

Рассчитав таким образом квантовую эффективность для каждой длины волны, строим спектральную характеристику внутренней квантовой эффективности. Внешняя квантовая эффективность ηλ определяется без учета коэффициента отражения:

= j

/qΦλ. (3.4)

общ

Спектральная чувствительность рассчитывается после определения общей плотности тока и мощности потока излучения:

= j

. (3.5)

λобщ/Pλ

При освещении общий ток фотодиода определяется фототоком

IΦ = I

λобщ

= А

и темновым током:

p–nqηλ

I = IΦ + Iт [exp(qUвн/mkT) – 1], (3.6)

где Iт – обратный (или темновой) ток диода.

Для того чтобы определить порог чувствительности данного фотоприемника и его обнаружительную способность, необходимо проанализировать всевозможные источники шумов фотоприемника. Например, для фотоприемника с p–n-переходом, работающего в фотовольтаическом режиме, можно принять, что шум определяется джонсоновскими шумами дифференциального темнового сопротивления Rт, которое при нулевом смещении равно skT qI

(

UkTfRΔ=⋅

или

4IkTfRΔ= ).

Если Рш – эквивалентная мощность шума, т.е. мощность потока квантов, определяющая на выходе напряжение, равное напряжению шума, то

2PhckTqRf

λλ

шт

()

ηΔ=

Тогда обнаружительная способность будет равна

*12

ηλ Δ= , (3.8)

λλ

()

фт

2Dq AR f hckT

()

где Аф – площадь освещаемой поверхности.

. (3.7)

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]