gurtov

Глава 11. Фотоприемники

Рассмотрим основные характеристики фоторезисторов. На рис. 11.4б приведена топология рассматриваемых фоторезисторов и геометрия их освещения. Как было написано в предыдущем разделе, одной из основных характеристик фоторезистора является токовая чувствительность Si.

Изменение удельной фотопроводимости Δσ0 резистора при освещении вследствие изменения концентрации неравновесных носителей будет описываться соотношением:

где b — отношение подвижностей электронов и дырок.

Полный ток I через резистор при величине внешнего напряжения U будет определяться суммой темнового IT тока и фототока IФ:

Величина темнового IT тока определяется темновым омическим сопротивлением резистора, который при использовании геометрии фоторезистора, приведенной на рис. 11.4б, будет:

где w — толщина, d — ширина, l — длина фоторезистора.

В стационарных условиях при освещении фоторезистора из уравнения непрерывности получаем:

поскольку темп генерации в случае однородного поглощения света в фоторезисторе будет:

В выражениях (11.13) и (11.14) использованы следующие обозначения: η — квантовый выход (число неравновесных носителей, генерируемых при поглощении одного кванта), α — коэффициент поглощения, Ф — световой поток (число падающих фотонов на единицу площади).

При освещении изменение фотопроводимости Δσ будет:

Согласно определению токовой чувствительности для фоторезистора, получа-

ем:

Глава 11. Фотоприемники

Для фоторезисторов характерны стабильность фотоэлектрических характеристик во времени, малая инерционность, простота устройства, допускающая различные конструктивно-технологические решения. Выбор полупроводникового материала позволяет получить избирательную фоточувствительность. Фоторезисторы на основе CdS и CdSe чувствительны к видимому и УФ-излучению, а фоторезисторы на основе InSb и СdHgTe — к длинноволновому ИК-излучению. На рис. 11.5б приведены спектральные зависимости фоточувствительности различных фоторезисторов.

11.4. Фотодиоды на основе p-n-перехода

11.4.1. Общие сведения

При попадании кванта света с энергией hν в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей — электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентраций носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

Так, например, в n-GaAs с легирующей концентрацией 1014 концентрация основных носителей электронов составляет 1014 см–3, а концентрация неосновных носителей — дырок — 1 см–3. Поэтому если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 1010 неравновесных носителей, то проще зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей. В фотоприемных устройствах, как правило, используется принцип регистрации неосновных носителей заряда. Наиболее распространенные фотоприемники реализуются на основе диодных структур. Среди них фотодиоды на основе p-n-переходов, барьеров Шоттки и гетеропереходов. Ниже на рис. 11.6 приведена конструкция наиболее распространенных фотодиодов.

В фотодиодах на основе p-n-переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рис. 11.7.

11.4.2. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Обратный ток p-n-перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается:

где pn0 и np0 — концентрации неосновных носителей.

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока при обратном смещении фотодиода выражается соотношением:

где p и n — неравновесные концентрации фотогенерированных неосновных носителей на расстоянии Ln и Lp от области пространственного заряда в квазинейтральном объеме эмиттера и базы диода.

Контакты

p GaInAs i

n-InP

Эпоксидная смола

Вход излучения (1—1,6 мкм)

д

Рис. 11.6. Конструкции наиболее распространенных фотодиодов:

а) фотодиод на основе p-n-перехода; б) p-i-n-фотодиод; в) фотодиод на основе барьера Шоттки; г) фотодиод на основе p-n-перехода с лавинным умножением; д) фотодиод на основе p-i-n-гетероструктуры

Рис. 11.7. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения:

n — эмиттер, p — база фотодиода

Глава 11. Фотоприемники

Обычно у p+-n-фотодиода p+-эмиттер делают тонким l << Lp, Ln, так, чтобы поглощение света происходило в n-базе фотодиода. Тогда величина фототока из уравнения (11.20) выражается соотношением:

где p — неравновесная концентрация фотогенерированных (неосновных) носителей.

где η — квантовый выход, α — коэффициент поглощения и Φ — падающий световой поток.

Величина фототока JФ после подстановки имеет величину:

Фототок JФ постоянен, не зависит от полярности и величины приложенного напряжения VG и направлен от n-области к p-области полупроводника.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной области p-n-перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры: диффузионная длина Lp порядка 100 мкм, ширина обедненной области p-n-перехода 1 мкм. Поэтому основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики p-n-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцевом диапазоне.

Уравнение для активного режима работы фотодиода при наличии внешнего напряжения VG принимает вид:

Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи (R = ∞) для случая, когда внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину VG называют напряжением холостого хода Vхх. Из уравнения (11.26) при условии J = 0 получаем

11.4. Фотодиоды на основе p-n-перехода

уравнение, позволяющее по известным значениям фототока Jф и тока Js рассчитать напряжение холостого хода Vхх:

Напряжение Vхх (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p-n-перехода.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотодиода VG = 0. Тогда из уравнения (11.26) следует, что ток короткого замыкания Jкз во внешней цепи равен фототоку JФ:

На рис. 11.8 показано семейство ВАХ фотодиода как при отрицательной, так и при положительнойполяризациифотодиода,рассчитанныхпоуравнению(11.26).Приположительныхнапряжениях VG токфотодиодабыстровозрастает(пропускноенаправление) с увеличением напряжения. При освещении же общий прямой ток через диод уменьшается, так как фототок направлен противоположно току от внешнего источника.

J

VG

Ф1

JКЗ

Ф2

Ф3 > Ф2 > Ф1

Рис. 11.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода при различных уровнях освещения

ВАХ p-n-перехода, располагаясь во II квадранте (VG > 0, I < 0), показывает, что фотодиод можно использовать как источник тока. На этом базируется принцип работы солнечных батарей на основе p-n-переходов.

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока JФ от светового потока Ф, падающего на фотодиод. Сюда же относится и зависимость Vхх от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотодиоде при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотодиод. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока:

где K — коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода. При обратном смещении фотодиода, как следует из уравнения (11.25), ток во

внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения VG.

Глава 11. Фотоприемники

Коэффициент пропорциональности K в уравнении (11.29) получил название интегральной чувствительности фотодиода.

11.4.3. Спектральная чувствительность

Будем теперь освещать фотодиод монохроматическим светом с некоторой длиной волны λ. Величину светового потока Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света. Зависимость фототока JФ(λ) будет определяться зависимостью квантового выхода η(λ) и коэффициента поглощения α(λ) от длины волны:

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны, причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода η(λ) от длины волны, а в области коротких длин волн — с зависимостью коэффициента межзонного поглощения α(λ) от длины волны. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hν меньше ширины запрещенной зоны Eg межзонное поглощение света не происходит. На рис. 11.9. приведена зависимость спектральной чувствительности для германиевого и кремниевого фотодиодов.

K/Kmax

0,5

Рис. 11.9. Кривые спектральной чувствительности:

1)германиевого,

2)кремниевого фотодиодов [76]

Влияние неоднородного поглощения по глубине фотодиода на спектральную чувствительность показано на рис. 11.10. Коротковолновое излучение имеет высокое значение коэффициента поглощения α, поэтому поглощается в основном в приповерхностной области эмиттера фотодиода. Очевидно, что в этом случае фототок будет мал, поскольку область поглощения света удалена от p-n-перехода. В случае длинных волн поглощение происходит по всей глубине фотодиода на расстояниях равных или больших диффузионной длины. В этом случае эффективность преобразования будет максимальной. Наконец, при очень больших значениях λ фототок уменьшается из-за приближения к красной границе фотоэффекта.

11.4. Фотодиоды на основе p-n-перехода

Коротковолновое

излучение

а

б

Рис. 11.10. Зависимость скорости генерации электронно-дырочных пар от расстояния от поверхности для длинноволнового и коротковолнового света (а), размеры фотодиода и характерные длины диффузии неосновных носителей (б)

11.4.4. p-i-n-фотодиоды

Указанные недостатки фотодиода на основе p-n-перехода устраняются в фотодиодах, где между p- и n-областями расположен i-слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой W >> Lp с тем, чтобы поглощение света происходило в этой области. Поскольку в i-слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p-n-перехода все приложенное напряжение будет падать на i-слое. Фотогенерированные носители в i-слое будут разделяться в сильном электрическом поле, и фотоотклик таких диодов будет быстрым. На рис. 11.11—11.14 приведена конструкция и энергетическая диаграмма, иллюстрирующая принцип работы p-i-n-фотодиодов.

Структура p-i-n-фотодиода спроектирована так, чтобы избежать недостатков фотодиода p-n-типа. Но все основные принципы регистрации сохраняются.

Введение слоя собственного полупроводника между p- и n-слоями примесного полупроводника позволяет существенно увеличить размер области пространственного заряда.

Глава 11. Фотоприемники

аVG

1/α x

Рис. 11.11. Принцип работы p-i-n-фотодиода:

а) поперечный разрез диода; б) зонная диаграмма в условиях обратного смещения;

в) распределение интенсивности излучения

Si3N4

p-контакт

p+

SiO2

n-контакт

Рис. 11.12. Конструкция p-i-n-фотодиода

В i-слое свободные носители практически отсутствуют и силовые линии электрического поля, начинающие с доноров в n-области, без экранировки проходят через i-слой и заканчиваются на акцепторах p-области (рис. 11.13).

Ширина i-слоя составляет обычно 500—700 мкм. В отличие от i-зоны, легированные слои сделаны очень тонкими. Все вместе это сделано для того, чтобы все оптическое излучение поглощалось в i-слое и сокращалось время переноса зарядов из i-зоны в легированные области.