ни в металі у межах поля бар’єра і, таким чином, дифузійна складова фотоструму відсутня. Чутливість діодів Шотткі, як і p–і–n-пе- реходів, є достатньо високою та досягає величини SI = 0,5 A/Вт. Особливістю бар’єрів Шотткі є можливість реєстрації фотонів з енергією hν < E . Енергія фотонів hν, хоча і менша ширини забороненої зони E , але може бути більшою висоти потенціального бар’єра для електронів збокуметалу(рис. 4.4, перехід 1).

Тому електрони металу вводяться в напівпровідник, змінюючи концентрацію електронів на контакті та, відповідно, його провідність. Таким чином, діоди Шотткі мають широкий спектральний інтервал у порівнянні з p–i–n-діодами та таку ж швидкодію.

4.6. Лавинні фотодіоди

Якщо в фотодіоді прикласти достатньо високу зворотну напругу, то напруженість поля Е у контакті є настільки високою, що розвиваються процеси ударної іонізації атомів кристалічної ґратки прискореними електронами. Це призводить до зростання зворотного струму при даному світловому потоці Ф. Електрони в межах контакту набувають у цьому полі енергію більшу ніж вони втрачають при зіткненнях із атомами ґратки. Якщо отримана енергія Е електроном знаходиться в межах E < E <1,5 E , то електрон може створити

нову пару “електрон – дірка”. При достатній довжині пробігу в електронному полі створена пара “електрон – дірка” також може прискоритись до енергії E та створити нові іонізації, тобто буде спостерігатись лавинне наростання числа носіїв заряду. Лавинне розмноження фотоносіїв може бути створено як в бар’єрах Шотткі, так і в p–n-пе- реходах.

значень ~103 , тому лавинний діод може застосовуватись для реєстрації дуже слабих світлових сигналів. Інертність лавинних фотодіо-

дів складає біля 10−9 с. Вольт-амперна характеристика лавинного фотодіода наведена на рис. 4.5.

4.7. Фототранзистор та фототиристор

Фототранзистор є структурою p–n–p- або n–p–n-шарів. Зовнішнє електричне поле вмикає емітерний p–n-перехід у прямому напрямку, а колекторний – у зворотному. Без освітлення весь спад зовнішньої напруги припадає на колекторний перехід. Освітлення бази ведеться через тонкий шар емітера. Фотоелектрони, які виникають у базі та р–n-переходах, втягуються в область емітера та колектора, а дірки стягуються в базу (структура n–p–n). У результаті в емітерному p–n-переході з’являється додаткова різниця потенціалів прямого напрямку, що призводить до інжекції електронів через понижений бар’єр у базу та далі – в колектор. Таким чином, початко-

вий фотострум може підсилюватись ~ 102 разів і чутливість фототранзистора значно вища звичайного фотодіода. Однак інерційність фототранзистора за рахунок дифузії носіїв досить велика і постійна

τ ~10−5...10−6 c.

Звуження бази, яке необхідне для зменшення τ, призводить до зменшення чутливості фототранзистора внаслідок зменшення числа поглинених фотонів. Звідси випливає, що ефективний фотодіод та малоінерційний транзистор для підсилення струму фотодіода доцільно виготовляти окремо.

Тиристор складається із почергових p–n-переходів і, відповідно, має три p–n-переходи (p–n–p–n). Середній p–n-перехід називають колекторним, а два крайніх – емітерними. Структура p–n- переходів вмикається так, щоб колекторний перехід був ввімкнений у зворотному напрямку, а обидва крайніх (емітерних) – у прямому напрямку (“плюс” – на зовнішній p-області структури, а “мінус” – на n-області). Якщо з допомогою керуючого електрода від однієї з баз емітерний перехід вмикається в прямому напрямку та висота емітерних бар’єрів понижується, через тиристор проходить значний струм, який призводить до накопичення в p-базі позитивного заряду, а в n- базі – негативного. Це, в свою чергу, знижує висоту бічних бар’єрів у p–n-переходах (емітерних), що викликає нове зростання струму.

49

При цьому загальний спад напруги на ділянці знижується, оскільки струми самі підтримують потрібний ступінь накопичення зарядів. Таким чином, тиристор може знаходитись у двох станах з малим або великим струмом, що дозволяє його використовувати як ключ в електричному колі.

У фототиристорі накопичення позитивного та негативного зарядів, необхідних для перемикання його із одного стану в інший, проходить за рахунок освітлення. Поле середнього переходу направляє фотодірки в p-базу, а фотоелектрони – в n-базу, що знижує висоту емітерних переходів і створює сильні струми через тиристор. Таким чином, світло керує електричним сигналом у тиристорі, що дозволяє безконтактним способом керувати струмами в різних електричних колах.

4.8.Багатоелементні фотоприймачі

Уряді випадків потрібно зафіксувати фотоелектричним способом оптичне зображення, яке має певний розподіл інтенсивності світла по поперечному перерізу пучка. Цього можна досягнути, якщо виготовити екран, який вміщує велику кількість мініатюрних фотоприймачів. Інтенсивність даної точки поперечного перерізу пучка, таким чином, переводиться у відповідний електричний сигнал. Записана таким шляхом інформація деякий час зберігається в фотоприймачах, а потім читається тим чи іншим способом.

Удеяких системах записування оптичних сигналів застосовують напівпровідникові пристрої, а при читанні інформації використовують електронний пучок, який послідовно обходить фотоелектроди, однак цей спосіб вимагає використання високовольтних вакуумних трубок, які, крім цього, погано стикуються із мініатюрними напівпровідниковими елементами.

Більш зручні у використанні багатоелементні фотоприймачі,

вяких запис, зберігання та зчитування інформації виконується одними і тими ж твердотільними елементами. Таким елементом може бути використана структура “метал – діелектрик – напівпровідник” (МДН-структура), схема якої наведена на (рис. 4.6).

Якщо до такої структури прикласти напругу U (“мінус” на металі), то частина домішкових електронів виводиться із напівпровідника n-типу, що приводить до виникнення шару позитивного об’ємного заряду товщиною d (на рис. 4.6 границя товщини цього шару показана пунктирною лінією). Товщина цього шару збільшується із збільшенням U. Фотоелектрони, які виникають внаслідок освітлення МДН-структури, відводяться в об’єм напівпровідника, а

50

Рис. 4.6 – Енергетична схема структури МДН у присутності напруги: штрихова лінія – границя області просторового заряду

дірки накопичуються на його границі із діелектриком. Число таких дірок залежить від інтенсивності світла та часу його дії. Накопичений заряд є інформацією, заданою світлом, і може довго зберігатись, якщо теплова генерація пар невелика. На рис. 4.6 наведена лише час-

тина багатоелементного фоточутливого екрана. На ділянці 1 – U = 0 і товщина шару d0 об’ємного позитивного заряду виникає за рахунок

контактної різниці потенціалів. На ділянці 2 присутнє зовнішнє поле U та елемент освітлюється потоком світла Ф через напівпрозорий металевий електрод (затвор). Накопичений за час освітлення заряд дірок може пересуватись вздовж ланцюжка, якщо на сусідній елемент подати більш високу напругу (ділянка 3). У цьому випадку глибина потенціальної ями для дірок більша і вони внаслідок дифузії перейдуть від другого елемента до третього. У проміжку між елементами 2 та 3 є електричне поле, яке прискорює рух дірок, тому такий перехід може здійснюватись досить швидко. Таким чином, електричний сигнал від елемента 2 (який пропорційний інтенсивності світла Ф та часу дії) може бути переданий по всій ділянці в зовнішнє коло. Такі мікроскопічні фоточутливі елементи розміщені настільки близько (l ~ 3 мкм), що можуть взаємодіяти, передаючи один одному заряди. Звідси назва таких структур – прилади з зарядовим зв’язком. МДН-структури споживають малу енергію, вимагають низьких на-

пруг (10...20 В) і при щільності елементів 105 см-2 мають добру роздільну здатність (40 ліній на 1 мм).

Оскільки в чутливих елементах використовуються поверхневі бар’єри, то в таких структурах легко переходити до різних спектральних областей шляхом вибору матеріалу з відповідною шириною

забороненої зони ( E ≤ hν). Кремнієві структури такого типу мають ряд переваг у порівнянні з вакуумними передавальними телеві-

зійними приладами, великий строк експлуатації (~104 годин) та можуть реєструвати дуже слабкі оптичні сигнали.

51