Лекція 4. ПРИЙМАЧІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Фотопровідність напівпровідників.

Види фотоприймачів та їх основні характеристики.

Фоторезистори.

Фотодіоди з p–n-переходами.

Фотодіоди з бар’єрами Шотткі.

Лавинні фотодіоди.

Фототранзистор та фототиристор.

Багатоелементні фотоприймачі.

4.1.Фотопровідність напівпровідників

Проникаючи всередину напівпровідника, світло поступово поглинається і його інтенсивність зменшується. Виділимо на глибині x від поверхні напівпровідника безмежно тонкий шар товщиною dx. Кількість світлової енергії dФ(х), яка поглинається шаром dx, пропорційна падаючому на нього потоку світла та його товщині, тобто

де Ф0 – падаючийнаречовинусвітловийпотік; k – коєфіцієнт.

Частина енергії випромінювання, яка поглинається, йде на збільшення енергії електронів або теплового руху атомів. На рис. 4.1 по-

Такий перехід можливий лише тоді, коли енергія падаючого фотона

При меншій енергії фотонів можуть відбуватись переходи електронів з локальних рівнів домішок або інших дефектів ґратки кристала в зону провідності (перехід 2) або із валентної зони на ці рівні (перехід 3). Переходи 1, 2, 3 змінюють електропровідність твердих тіл, оскільки відбувається зміна концентрації носіїв заряду. На цьому ефекті заснована робота більшості фотоприймачів.

При внутрішньоцентрових переходах 4 електрон не звільняється і процес поглинання світла не приводить до зміни електропровідності кристала. Це стосується екситонного поглинання (перехід 5) та поглинання світла електронами зони провідності (перехід 6).

У процесі поглинання електроном фотона виконуються закони збереження енергії та імпульсу, тому більш повно процес поглинання світла описується за допомогою діаграми, яка враховує зміну енергії та імпульсу рис. 1.5 (лекція 1). Аналіз фотопровідності напівпровідників приводить до висновку, що існують кристали, в яких екстремуми енергій електронів та дірок на діаграмі E(k) приходяться на різні значення k. У таких кристалах переходи при найменших енергіях можуть бути тільки “непрямі”. При великих енергіях фотонів можуть бути як “прямі”, так і “непрямі” переходи.

До кристалів з “прямими” зонами належать: GaAs ( E =1, 4 eB),

CdSe ( E =1,8 еВ), CdS ( E = 2,25 еВ), ZnS ( E = 3, 7 еВ) та ін.

До матеріалів з “непрямими” зонами належать: Ge ( E = 0, 7 еВ),

фіцієнт поглинання α є величиною оберненою до відстані x , на який інтенсивність світла зменшується в e разів. При власному пог-

линанні α ≈ 1 0 5 см−1 , то x 0,1 мкм, придомішковому α ≈ 1 0 см−1 , тоді x 1 мм.

41

Різні типи поглинання проявляються при різних енергіях квантів hν . Узагальнена залежність k від hν виглядає приблизно так, як показано на рис. 4.2.

сутнє слабе погли-нання світла вільними електронами в зоні провідності та дірками в зоні валентності (6), в інфрачервоний області проявляється пік 7, який пов’язаний з поглинанням випромінювання іонами кристалічної ґратки ( hν E ). Поблизу краю власного поглинання розміщуються вузькі лінії екситонного поглинання (5). Екситон є слабо зв’язаною парою “електрон – дірка”, яка утворює систему, що має лінійний спектр, подібний лінійному спектру атома водню. Екситон є електронейтральним, тому їх створення не призводить до зміни провідності кристала. При високих температурах екситонне поглинання зливається з власним. У фотоприймачах, як правило, використовують власне поглинання. Домішкове поглинання використовують тільки в деяких випадках – для розширення спектральної характеристики в область довгих хвиль.

4.2. Види фотоприймачів та їх основні характеристики

Швидкість зміни електропровідності кристалів фотоприймачів при освітленні їх світлом залежить від швидкості G утворювання електронно-діркових пар, які виникають за одиницю часу в одиниці об’єму. Фотоприймачі бувають з p–n- та без p–n-переходів.

Для фотоприймачів з p–n-переходом важлива величина G як в області самого p–n-переходу, так і в областях, які безпосередньо

42

прилягають до контакту. Створені в цих шарах фотоелектрони та дірки після дифузії до переходу також захоплюються електричним полем і створюють додатковий струм у колі. Аналогічна ситуація – у запірних шарах на контакті металу з напівпровідником. У деяких фото-

E > 5 ×105 B/см в області контакту на величину струму впливає як G, так і величина E (лавинні діоди).

Для фотоприймачів без p–n-переходів (без запірних шарів) зовнішня електрорушійна сила (ЕРС) створює слабке електричне по-

ле E 102 В/см вздовж всього однорідного напівпровідника. У цьому випадку фотострум залежить від G та E.

Фотоприймачі характеризуються струмовою SI та вольтовою чутливостями SV і квантовим виходом фотоефекту η1 .

Чутливість фотоприймача визначається тим, наскільки змінюються електричні характеристики при його освітленні. Якщо освітленняпризводитьдо зміниструму вфотоприймачі, тострумовачутливість:

де І – зміна струму в колі при освітленні; Ф – потік світла, якийпадаєнафотоприймач(можезадаватисяякуватах, таківлюменах).

Якщо при освітленні фотоприймача змінюється напруга на виході U , то його вольтова чутливість буде

Квантовий вихід внутрішнього фотоефекту η1 визначається

числом пар “електрон – дірка”, які створюються кожним поглинутим фотоном. Чутливість фотоприймача залежить від швидкості генера-

ції G, яка, в свою чергу, залежить від η1 . Число неврівноважених носіїв (пар “електрон – дірка”), які виникають в одиниці об’єму на глибині x за одиницю часу буде:

де η1 – квантовий вихід; Q(x) – число фотонів в одиниці об’ємузаодиницю часу на глибині x; α – коефіцієнт поглинання; Ф(x) –

43