Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

402 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

Физические причины возникновения первых четырех видов шума были рассмотрены нами в п. 2.6. Фотонный шум представляет собой флуктуации проводимости образца, возникающие вследствие флуктуаций потока падающих на образец квантов излучения.

Поскольку напряжение генерационно-рекомбинационного шума в фотосопротивлениях увеличивается пропорционально току через образец, а напряжение теплового шума остается неизменным, то при высоких напряжениях на образце основным источником шума становится генерационно-рекомбинационный шум. Характеристики этого шума можно рассчитать, воспользовавшись формулой (2.30) для спектральной плотности

(7.18)

где Еп — напряжение питания схемы, V — объем образца, А / — полоса частот, в которой производится измерение шума. Произведение TIQV, стоящее в знаменателе этой формулы, представляет собой среднее число электронов в образце.

При увеличении напряжения на фотосопротивлении одновременно возрастают и вольт-ваттовая чувствительность (7.16), и напряжение генерационно-рекомбинационного шума (7.18). Поэтому при высоких напряжениях на образце, когда вклад других видов шума в полный шум становится несущественным, отношение сигнал/шум в фотоприемнике, работающем в области собственного поглощения, становится равным

(7.19)

Уравнение (7.19) позволяет нам рассчитать минимальную мощность оптического сигнала РПор> которую можно зарегистрировать

в условиях шума, Эта величина, называемая эквивалентной

') В зарубежной литературе эта величина обозначается NEP (noiseequivalent power).

шума и равна

* пор

где А = WI — площадь фоточувствительной площадки, а Р п о р —

введенная выше эквивалентная мощность шума. Размерность

этой величины — [см - Гц^Вт - 1 ] . Нетрудно видеть, что величина CD* изменяется пропорционально \/гп /(щс1) и, следовательно, чтобы создать наиболее чувствительный фотоприемник на основе собственной фотопроводимости, необходимо уменьшать толщину образца, увеличивать время жизни и использовать материал с минимальной концентрацией носителей заряда. Для фотоприемников, работающих на основе примесной фотопрово-

красным излучением, испускаемым окружающими предметами. Так, для охлаждаемого до 77 К фотосопротивления из PbSe с красной границей фоточувствительности 7 мкм поток фо-

х 1017 квант/см2-с [262]. Поэтому регистрация сигнала ИКфотоприемниками производится в присутствии постоянной фоновой подсветки. В этом случае заметный вклад в шум фотоприемника начинает вносить фотонный шум, а проводимость образца <то определяется уже не только носителями, возбуждаемыми за счет тепловой генерации примесных уровней, но и носителями, возбуждаемыми фоновой подсветкой. Если концентрация последних превышает концентрацию равновесных носителей, то говорят, что приемник работает в режиме ограничения фона (BLIP — background limited infrared photodetector). Очевидно, что в этом случае обнаружительная способность

404 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

X, мкм

РИС. 7.7. Обнаружительная способность ряда инфракрасных фотоприемников. Штриховыми линиями показаны теоретические зависимости обнаружитель ной способности D* д , ограниченной флуктуациями фонового излучения, при температурах фона 77 и 300 К [14]

фотоприемника Т)* не может превышать некую величину, опре-

где X — длина волны, г) — квантовая эффективность, a Qb — фоновый поток фотонов в спектральной области чувствительности приемника [262]. Спектральные зависимости Т>*д для идеального приемника (г/ = 1) при двух температурах фона показаны штриховыми линиями на рис. 7.7. На этом же рисунке с этими расчетными кривыми сопоставляются экспериментально полученные зависимости D*(X) для ряда инфракрасных фотоприемников. Очевидно, что для увеличения чувствительности

Рис. 7.8. Устройство фотоприемника с охлаждаемым радиационным экраном: 1 — входное окно, 2 — охлаждаемый фильтр, 3 — холодильная камера, 4 — вакуум, 5 — охлаждаемый экран, 6 — чувствительный элемент [262]

фотоприемников необходимо принимать меры по уменьшению интенсивности фоновой подсветки (см. рис. 7.8): уменьшать угол зрения -д (величина Qb изменяется пропорционально sin2 i?), использовать охлаждаемые экраны.

7.1.4. Фотовольтаические приемники (фотодиоды). Фо-

товольтаическим эффектом называют эффект появления ЭДС в полупроводнике при его освещении. Как известно из курса физики полупроводников [1], для появления фото-ЭДС необходимо выполнение двух условий:

1) полупроводник должен быть неоднородным (в нем должны существовать локальные поля, способствующие пространственному разделению электронов и дырок) и

2) в полупроводнике должны одновременно возбуждаться электроны и дырки.

Примерами неоднородных полупроводниковых структур, в которых возможно появление фото-ЭДС, являются р-?г-переходы и барьеры Шоттки 0.

возбуждались носители обоих знаков (собственное поглощение). При погло-

Рис. 7.9. Устройство и энергетическая диаграмма p-i-ra-фотодиода при подаче на него обратного смещения Vcu < О

Рассчитаем квантовую эффективность р-г-п-фотодиода как функцию длины волны падающего излучения при освещении структуры сквозь тонкую р-область (см. рис. 7.9). Темп оптической генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике описывается, как обычно, формулой (7.4). Будем считать тол-

щину р-области Wp настолько малой, что все возбуждаемые в

ней электроны затягиваются в область сильного электрического поля. В этом случае ток фотодиода будет складываться из тока электронов, возбуждаемых светом в р- и {-областях, и тока дырок, которые возбуждаются в объеме n-области и затем путем диффузии подходят к границе области сильного поля.

Ток фотодиода, связанный с возбуждаемыми в р- и г-области электронами, находится сравнительно легко 1):

о

Отрицательный знак тока связан с тем, что положительные заряды (дырки), разделяемые электрическим полем перехода, движутся в направлении, противоположном направлению оси х.

') Будем предполагать, что рекомбинацией носителей за время пролета области сильного поля можно пренебречь.

области в глубь структуры. Это можно сделать, например, создав верхний контакт в виде барьера Шоттки (14].

Быстродействие фотодиодов ограничивается совместным действием нескольких факторов:

1)временем пролета носителей через область сильного поля,

2)постоянной времени заряда барьерной емкости структуры,

3)временем диффузии носителей, возбуждаемых в электри-

чески нейтральной n-области структуры.

При разработке быстродействующих фотодиодов для исключения влияния последнего фактора можно изменить геометрию прибора и вводить излучение в фотодиод параллельно границам г- области, при этом одновременно достигая и высокой квантовой эффективности. Для увеличения быстродействия обычно стремятся максимально уменьшить толщину г-слоя (время пролета), сохранив при этом достаточно высокую квантовую эффективность и контролируя величину емкости структуры (которая при уменьшении толщины г-слоя возрастает).

Одним из наиболее быстродействующих фотодиодов в настоящее время является фотодиод DSC10W, выпускаемый фирмой Discovery Semiconductors. Его полоса пропускания достигает 75 ГГц при регистрации излучения с длиной волны 1,3-1,55 мкм. В конструкции этого фотодиода используется гетероструктура p+-InP—z-InxGai_xAs— i-InP—?г+-1пР с двумя областями г-типа. Структура спроектирована так, что возбуждаемые в освещаемом сквозь р-InP узкозонном слое In®Gai_xAs электроны и дырки, которые имеют разные скорости насыщения, пролетают структуру приблизительно за равное время.

Шумы фотодиодов, которые обычно работают при подаче обратного смещения («фотодиодный режим»), в основном определяются дробовым шумом протекающего через диод тока. Этот ток складывается из тока регистрируемого сигнала /ИЭМ1 тока / ф о н , вызванного фоновой засветкой, и обратного темнового тока диода /обр. Общий дробовой шум, в соответствии с формулой (2.28), равен

Выход фотодиода подключается к усилителю, который для уменьшения постоянной времени заряда барьерной емкости обычно дополнительно шунтируется сопротивлением нагрузки. Если эквивалентное сопротивление параллельно включенных сопротивления нагрузки и входного сопротивления усилителя равно ЯэКВ, то напряжение его теплового шума, пересчитанное

в ток, дает дополнительный вклад в величину шума:

Считая, что квантовая эффективность фотодиода (7.26) равна единице, из формул (7.27) и (7.28) легко рассчитать эквивалентную мощность шума NEP. Зависимость этой величины от режима работы фотодиода представлена на рис. 7.10.

10-10

Рис. 7.10. Зависимость эквивалентной мощности шума NEP кремниевого фотодиода от сопротивления нагрузки при различных значениях фонового тока [14]

Фотодиоды изготавливают из многих полупроводников. В видимой области спектра широко используются Si, GaAs, GaP, в инфракрасной области — Ge и охлаждаемые приемники из InSb и Hgt-xCd^Te, в ультрафиолетовой области (А, < 380 нм) — SiC, GaN, AUGai-xN. Большое значение также имеют твердые растворы Ini_a;GaxAs и Ini _ x Ga x Asi _ y P y , на основе которых создаются быстродействующие фотодиоды для волоконно-оптических линий связи ( Х = 1,3-1,55 мкм).

Фототранзисторы. Фототранзисторы являются функцио- нально-интегрированными приборами, объединяющими в себе функции фотодиода и транзистора (см. рис. 7.11). Как следует из рисунка, фоточувствительной областью фототранзистора является коллекторный р-п-переход. Возникающие при его освещении электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем р-п-перехода и фототок дырок /ф, направленный в базу транзистора, приводит к открыванию эмиттерного перехода. В результате ток коллектора оказывается

к

рД ч

Рис. 7.1!. Устройство и эквивалентная схема п-р-п-фототранзистора

в Р раз больше вызвавшего его фототока, где (3 — коэффициент усиления транзистора по току. Из-за довольно большой емкости коллекторного перехода Скб быстродействие фототранзистора сравнительно невелико (время релаксации сигнала измеряется единицами мкс), однако присущее

7.1.5. Лавинные фотодиоды. Лавинные фотодиоды пред-

ставляют собой приборы, в которых за счет лавинного умноже-

диод можно рассматривать как твердотельный аналог фотоэлектронного умножителя. Лавинные фотодиоды находят широкое применение в качестве быстродействующих приемников сигналов в системах волоконно-оптической связи.

При использовании лавинных фотодиодов необходимо иметь в виду, что лавинное умножение носителей может приводить к заметному снижению быстродействия фотодиодов. Когда коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок близки (а„ « а р ), что характерно для многих полупроводников группы A n i B v , вторичные электроны и дырки, рожденные путем ударной ионизации первичного электрона (дырки), еще долго остаются в области лавинного умножения после того, как вызвавший первичную ионизацию носитель покинет эту область. Это происходит потому, что электроны и дырки движутся в разные стороны, и характерное время затухания лавины во много раз превосходит

') Оптрон — оптоэлектронный прибор, который состоит из полупроводниковых источника света и фотоприемника, связанных между собой световодом. Сигнал от светодиода к фотодиоду передается в оптроне с помощью потока света, что обеспечивает гальваническую развязку входа и выхода.

время пролета области сильного поля первичным носителем. Расчеты показывают, что при а п « а р и большом коэффициенте умножения М произведение коэффициента умножения на ширину полосы пропускания фотодиода остается постоянным и равно

где tcр — среднее время пролета электронами и дырками области умножения [14].

Чтобы сохранить высокое быстродействие при большом коэффициенте умножения М , необходимо использовать полупроводники, у которых а п < а р или а „ » а р . Действительно, если лавинное умножение осуществляется преимущественно электронами, а ударной ионизацией дырок можно пренебречь, то умножаться будут только электроны и задержка, связанная с удалением вторичных электронов из области сильного поля, будет минимальной. Это позволяет создавать лавинные фотодиоды из