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 2 3 45 / 125 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

В области пространственного заряда коллектора плотность фото-

генерационного тока будет равна

ОПЗ к

jqGxxq W W

==ηΦ−α−−α

ОПЗ ОПЗ к ОПЗ б

∫

ОПЗ б

d exp exp

)

(

⎡⎤

()()

λλ λ

⎣⎦

, (4.4)

где

ОПЗ к

– ширина области пространственного заряда кол-

ОПЗ б

лекторного перехода со стороны коллектора и базы.

В фототок транзистора следует добавить и дополнительный эмиттерный ток, возникающий за счет понижения потенциального барьера эмиттера из-за накопления дырок в базовой области. Из общего выражения для выходного тока при оптической генерации можно определить коэффициент оптического усиления, который представляет собой отношение выходного фототока к общему числу фотонов, попадающих на транзистор и генерирующих электроннодырочные пары:

Для аналитических расчетов К

опт

= j

/qΦλ. (4.5)

вых.ф

можно воспользоваться следую-

опт

щими упрощениями: все излучение поглощается в базовой области и области пространственного заряда коллекторного перехода; ширина базовой области Wб много меньше диффузионной длины электронов Lnб, так что все электроны, генерированные в базе, собираются полем коллекторного перехода.

В этом случае

⎡⎤

=η + −α − −α

опт 21 б ОПЗ к

1exp 1expKh W W

⎢⎥

⎣⎦

(

)

()

λλ

()

. (4.6)

При малом коэффициенте поглощения αλ, тонкой базе Wб и малой ширине области пространственного заряда коллекторного перехода

W , коэффициент оптического усиления равен

ОПЗ к

Khη= .

опт 21

Прозрачность эмиттера для квантов излучения определенной длины волны достигается двумя способами: эмиттер изготавливается достаточно тонким, чтобы в нем не происходило заметного поглощения квантов; в качестве эмиттера используют более широкозонный полупроводниковый материал (рис. 4.2). При расчете коэффициента передачи h

транзистора с широкозонным эмиттером

21э

следует учитывать дополнительные барьеры ΔЕc и ΔЕv, возникающие из-за разрыва энергетических зон. В этом случае в коэффициент, характеризующий эффективность эмиттера, вводится поправка

æö ç

èø

ээ

где D

DLn mm E

np n p g

бээ0 б б

DLp kT

эбб0

, Dрэ – коэффициенты диффузии электронов в базовой обла-

пб

сти и дырок в эмиттере соответственно; L

æö

exp

èø

, Lпб – диффузионные

рэ

, (4.7)

длины электронов и дырок; m* – эффективная масса.

В случае n–p–n-транзистора желательно, чтобы потенциальный барьер для дырок, движущихся из базы в эмиттер, был максимальным.

Рис. 4.2. Зонная диаграмма биполярного n–p–n-фототранзистора с

широкозонным эмиттером и потенциальным барьером ΔEV для дырок

4.2. Частотные характеристики БΦТ

Если БΦТ используется в системах передачи информации, то необходимо обеспечить высокое значение произведения коэффициента усиления на полосу частот. Так же, как и в случае обычных высокочастотных БТ, вводится понятие граничной частоты, которая определяется как обратная величина времени пролета носителей заряда от эмиттера до коллектора:

где τэ – время задержки эмиттера; τб и τ

пролета носителей заряда через квазинейтральную базу и область пространственного заряда коллекторного перехода; τк – время задержки коллектора.

= (2πτэк)–1 = [2π(τэ + τб + τ

гр

+ τк)]–1, (4.8)

ОПЗ

– соответственно времена

ОПЗ

Для достаточно тонкой базы и большого поля в область простран-

ственного заряда коллекторного перехода τб и τ

много меньше τэ и

опз

τк, поэтому этими величинами обычно пренебрегают. Постоянная

времени задержки эмиттера равна

kT C C q

()

τ+=

ф0

эк

éù

æö

êú

2ch 1

êú

èø

êú

ëû

, (4.9)

где Сэ и Ск – емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

-» =

hII

21 0

nkT

– темновой ток кол-

Если γ ≈ 1, то

éù

æö

êú

ch 1 , 2

êú

èø

êú

ëû

лектора, а ток, вызванный генерацией носителей заряда квантами излучения, равен Iф = ηqΦλАк, тогда время задержки эмиттера можно переписать в виде

kT C C q

qA I h

ηΦ

а с учетом усиления фототока Iф = h

kT C C q

()

τ+= , где Iк – общий ток, протекающий через коллек-

эк

()

21kT

()

эк

()

к21эkT

21э

, (4.10)

ηqΦλАк, получаем выражение

тор, включает в себя фототок и темновой ток. При оборванной базе

Iк ≈ Iэ, поэтому дифференциальное сопротивление эмиттера можно

записать в виде Rэ = kT/qIк, тогда окончательно

Если в выходную цепь транзистора включено нагрузочное сопро-

тивление, время задержки коллектора

RCτ = . При таких време-

кнк

hRC Cτ =+.

э21эээ к

()

нах задержки эмиттера и коллектора граничная частота равна

fгр =

2[ ]hCC RCπ ++

21 э э к н к

()

. (4.11)

Таким образом, частотные характеристики БΦТ определяются емкостями эмиттерного Cэ и коллекторного Cк переходов и для повышения рабочих частот необходимо уменьшить эти емкости и увеличить ток коллектора.

Если учесть, что основной составляющей коллекторного тока при освещении является фототок, то время задержки эмиттера уменьшается при больших потоках излучения. При малом фототоке для того, чтобы снизить время задержки, используют базовый контакт и увеличивают ток за счет подачи на базу соответствующего потенциала,

или при оборванной базе освещают эту область с помощью дополнительного постоянного источника излучения.

4.3. Некоторые конструкции современных БΦТ

В современных БΦТ для создания широкозонного эмиттера обычно применяется гетероструктура. Для разных спектральных диапазонов используются различные гетероструктуры, например:

– Al новолновая граница определяется краем поглощения GaAs (λгр = = 0,88 мкм), состав AlxGa чить фоточувствительность до длины волны 0,65 мкм.

– InxGa ствительности лежит при λ = 1,65 мкм, а коротковолновая при λ = = 0,95 мкм и определяется шириной запрещенной зоны фосфида индия).

– InxGa

Для волоконно-оптических линий связи необходимо так конструировать ГБΦТ, чтобы получить большой коэффициент оптического усиления при малом входном сигнале. С этой целью необходимо уменьшить ширину базовой области, и одновременно для снижения базового сопротивления повысить в ней концентрацию примеси. Чтобы повысить частотный диапазон работы ГБΦТ, требуется уменьшить время пролета носителей заряда через базу, с этой целью в базовую область встраивается электрическое поле. Этого можно достичь, если база неравномерно легирована или изготовлена из полупроводникового соединения переменного состава. При этом направление электрического поля должно способствовать ускорению неосновных носителей заряда.

Для того чтобы ликвидировать эффект увеличения времени переключения транзистора при высокой интенсивности освещения в базе, коллектор изготавливается из металла, а толщина базы подбирается из условия Wб ≥ 3/αλ. При этом уровень легирования базы должен обеспечивать максимальное ее перекрытие областью пространственного заряда коллекторного перехода.

As/GaAs для спектральной области 0,8…0,9 мкм (длин-

xGa1–x

As обычно выбирается так, чтобы обеспе-

1–x

As/InP (для х = 0,53, длинноволновая граница фоточув-

1–x

1–xAsyP1–y

/InР для спектрального диапазона 0,9…1,3 мкм.

4.4. МДП-фототранзисторы

Полевой фототранзистор представляет собой гибрид двух приборов структуры диэлектрик–полупроводник и МДП-фотодиода. Канал ПΦТ располагается между стоком и истоком и работает как сопротивление, величина которого зависит от напряжения, подаваемого на затвор или светового потока.

Сигнал оптического излучения можно зарегистрировать с помо-

щью полевогоМДП транзистора двумя способами:

1) использовать p–n-переход между истоком и подложкой МДПполевого транзистора как фотодиод. Ток стока в этом случае определяется концентрацией носителей заряда, генерированных в истоке. При таком способе регистрации затвор служит для создания инверсного канала или модуляции проводимости канала;

2) освещать область канала через металлический электрод затвора, который должен быть прозрачным для данного спектрального диапазона.

Поглощение света в подзатворной области р-канального полевого МДП-транзистора приводит к генерации избыточных носителей заряда:

np GyyΔΔ=

. (4.12)

()

Генерированные в области канала избыточные дырки увеличивают проводимость канала (добавляется заряд Qp), а электроны уносятся полем в квазинейтральную область, рекомбинируют с избыточными дырками или перезаряжают поверхностные состояния на границе раздела полупроводник–диэлектрик (Qпс). Избыточные носители заряда, образующиеся в области пространственного заряда между каналом и подложкой, разделяются электрическим полем: дырки переносятся в область канала, а электроны попадают в объем полупроводника (заряд ОПЗ изменяется на величину Q

Пороговое напряжение U

, поданное на затвор, обеспечивает устой-

пор

ОПЗ

чивую инверсию приповерхностной области полупроводника, при этом потенциал на поверхности равен 2ϕb (ϕb – объемный потенциал).

Исходя из уравнения баланса заряд на металлическом затворе равен Qз = Qр + Qпс + Q

. Таким образом, при отсутствии освещения

ОПЗ

пор

пс ОПЗ

ϕ=++ , (4.13)

СС

дд

где Сд – удельная емкость диэлектрика.

Изменение величины зарядов в МДП-структуре приводит к изменению порогового напряжения. Новое пороговое напряжение определяет и новое значение тока стока.

Спектральные характеристики МДП-фототранзистора определяются в основном физическими явлениями, протекающими на границе раздела диэлектрик–полупроводник и в объеме полупроводника. Кроме собственной фотопроводимости имеют место и другие явления, определяющие спектральную характеристику:

– при большой концентрации поверхностных состояний и работе транзистора в режиме обеднения и инверсии подвижные носители могут захватываться поверхностными центрами. Ионизация этих центров приводит к появлению длинноволновой области в спектре фоточувствительности МДП-фототранзисторов;

– спектральная характеристика отражает условие собирания носителей, генерированных в области высокого тянущего поля;

– фотопроводимость при энергиях квантов hν > E

может опреде-

ляться и процессами надбарьерного переброса носителей заряда.

МДП-фототранзисторы могут работать на эффекте не только собственной фотопроводимости, но и на примесной. Для этого, например, используется примесное поглощение в кремнии, легированном золотом, индием, галлием и т.д. Рабочая температура выбирается из условия отсутствия термогенерации носителей заряда, а МДП-фототранзистор переводится перед освещением в режим обогащения для заполнения носителями ионизированных примесных центров.

Пороговое напряжение МДП-фототранзисторов, работающих на эффекте примесной фотопроводимости, не зависит от заряда поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик–полупроводник, так как при низких температурах этих фототранзисторов обмен носителями между поверхностными состояниями и объемом полупроводника затруднен из-за того, что большая часть поверхностных состояний с энергетическими уровнями, расположенными вблизи середины запрещенной зоны, занята электронами, поэтому пороговое напряжение можно рассчитать из следующего выражения:

éù

εε ϕ

пп 0

ëû

=+ . (4.14)

пор

()

Концентрация ионизированной примеси Ni, определяющая ширину ОПЗ, представляет собой суммарную концентрацию мелких и глубоких акцепторных центров (в случае МДП-фототранзистора, работающего на акцепторной примесной фотопроводимости Ni = = Nа + Ni (t), СД – удельная емкость диэлектрика).

Изменение порогового напряжения за счет освещения ΔU

пор

определяется как разность пороговых напряжений при освещении и без него:

εε ϕ

UNNN

пор а а

пп 0

=++

()

éù

{}

ëû

()

. (4.15)

Без освещения ширина ОПЗ определяется только концентрацией ионизированной мелкой акцепторной примеси Nа, при освещении добавляется концентрация ионизированной фоточувствительной примеси Ni(0).

Для увеличения фоточувствительности можно повысить ток стока за счет увеличения ширины затвора, однако при заданной длине канала возрастает и емкость диэлектрика и шумы, которые в МДПфототранзисторах определяются эффективной плотностью состояний. Уменьшение длины канала лимитируется протеканием токов, ограниченных пространственным зарядом (ПЗ).

Кроме кремния в качестве исходного материала для МДПфототранзисторов можно использовать соединения A

IIIBV

, но в отличие от кремния эти материалы не имеют качественного собственного оксида, позволяющего получить совершенную границу раздела, поэтому предпочтительно изготавливать полевые транзисторы с затвором типа металл–полупроводник.

4.5. Полевые фототранзисторы с затвором типа металл–полупроводник (барьер Шоттки)

Полевой фототранзистор с затвором в виде барьера Шоттки можно рассматривать как структуру, состоящую из фоторезистора и фотодиода Шоттки, которые взаимодействуют между собой при регистрации фотосигнала. Семейство ВАХ обычного ПТ с БШ определяется напряжением на стоке и затворе. Для полевого фототранзистора с БШ аналогично задаются рабочие напряжения на стоке и затворе, соответствующие участку насыщения, а при освещении контролируется изменение тока стока (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Полевой фототранзистор из GaAs с барьером Шоттки при

освещении. Появление фототоков ΔIз и ΔIст в цепи

Поглощение квантов излучения с длиной волны, соответствующей собственному поглощению, происходит в области пространственного заряда БШ непосредственно в области канала и в области,

расположенной под рабочим слоем, т.е. в буферной пленке и подложке. При поглощении излучения в области канала и пространственного заряда генерируются избыточные носители заряда. Образовавшиеся в ОПЗ носители заряда разделяются потенциальным барьером Шоттки и обеспечивают протекание фототока в цепи обратносмещенного перехода затвор–исток. Φототок, проходя через нагрузочное сопротивление, вызывает на нем падение напряжения и уменьшает напряжение на затворе. Если световой поток модулирован, то с той же частотой меняется напряжение на затворе, а следовательно, и ток стока.

Генерация электронно-дырочных пар непосредственно в области канала увеличивает его проводимость. Из-за разности дрейфовых скоростей электронов и дырок, генерированных в области сильного поля, созданного разностью потенциалов между стоком и истоком, электроны переносятся значительно быстрее, чем дырки, а присутствие дырок в канале вызывает дополнительную инжекцию электронов из стока. Таким образом, коэффициент усиления n-канала определяется так же, как и в обычном фоторезисторе, но время существования избыточной концентрации определяется временем жизни дырок τ

и тогда коэффициент усиления Кп = τр/tпр, где tпр –

время пролета электронов через канал.

Часть света поглощается под каналом в подложке или буферном слое. Протекающий через подложку фототок существенно ухудшает частотные характеристики ПТ, поскольку перезаряжает барьерную емкость перехода канал–подложка через сопротивление нагрузки и довольно высокое сопротивление подложки. Время перезарядки барьерной емкости оказывается много больше, чем время пролета носителей через канал транзистора.

Ток стока полевого транзистора в общем виде записывается следующим образом:

ОПЗ2

εε

пп 0

ρρ

òò

ОПЗ1

()()()

IWWWyy

ст ОПЗ ОПЗ ОПЗ

. (4.16)

Расчет тока стока будет заключаться в интегрировании функции объемного заряда, включающего в себя распределение концентрации генерированных электронов n(y). Ширина области пространственного заряда со стороны истока W

и стока W

ОПЗ1

определяет-

ОПЗ2

ся напряжением на стоке и затворе.

Если оптический сигнал модулируется с частотой ω, то скорость генерации можно представить в виде суммы стационарной G0 и переменной составляющих G1exp(iωt) (для простейшего случая синусоидального сигнала). Тогда и концентрация генерированных пар

будет складываться из стационарного и переменного приращения концентрации Δn0 и Δn1(iωt). Общее уравнение непрерывности при подстановке Δn0 и Δn1(iωt) разбивается на два уравнения, и для нестационарного случая получаем выражение для переменной концентрации электронов

æö

iyv y

ωα

ny e ye

ατ α

=+-

()

λλ λ

èø

, (4.17)

где vх – дрейфовая скорость электронов в направлении х (в области

пространственного заряда эта скорость постоянна, если напряженность тянущего электрического поля

E больше критиче-

ского значения); ω – круговая частота; i – мнимая единица.

Получив значение переменной концентрации электронов, можно рассчитать напряжение отсечки и переменную составляющую тока стока.

В простейшем случае, когда канал принимается за обычный фоторезистор с постоянным значением толщины а, переменную составляющую тока можно записать в виде

éù

IqAr i

ωη ωτ

() ( ) ()

ст ф

Ф1 1 1

=--+

λλ λ

êú êú êú

ëû

пр

. (4.18)

Время жизни электронов τп определяется выражением

1111

=++, (4.19)

ττττ

nVс

в котором каждое из времен жизни зависит от рекомбинации в объеме τV, на поверхности τп и на контактах τc.

Кроме того, как и в обычном полевом транзисторе частотные характеристики определяются сопротивлениями истока и стока и входной емкостью затвор–исток.

Полевые транзисторы из GaAs с БШ могут иметь и гетеропереход. В этих транзисторах область канала представляет собой потенциальную яму, в которой движутся электроны. Подвижность электронов в канале выше, поскольку проводимость канала определяется легированием широкозонного материала (селективное легирование). С помощью такого приема снижается вероятность рассеяния электронов на ионах примеси (рис. 4.4).

Полевые фототранзисторы из GaAs c гетеропереходом и затвором в виде БШ в настоящее время являются самыми скоростными фотоприемниками с внутренним усилением и с малым уровнем шумов. Для того чтобы полевые транзисторы из GaAs с гетеропереходом были чувствительны в заданном диапазоне длин волн, необходимо

Рис. 4.4. Конструкция полевого фототранзистора с высокой подвиж-

ностью электронов в слое двумерного электронного газа (ДЭГ)

подобрать соответствующий полупроводниковый материал. В частности, для системы ВОЛС перспективны полевые фототранзисторы с гетеропереходом Al

0,48Ga0,52

As/In

0,53Ga0,47

As.

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 125 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]