gurtov_v_a_tverdotelnaya_elektronika

ГЛАВА 11

ФОТОПРИЕМНИКИ

11.1. Статистические параметры фотодетекторов

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Термину фотодетектор соответствует как эквивалентный термин фотоприемник, так и термин приемник оптического излучения.

Поскольку основная задача фотоприемников — регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются качества фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника — напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность, показывающая, насколько изменится напряжение U на выходе фотоприемника при единичном изменении мощности P падающего

лучистого потока:

Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность — величина, характеризующая изменение тока I, регистрируемого в цепи фотоприемника при единичном изменении мощности P падающего оптического излучения:

На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность — это минимальная энергия оптического излучения Pm, которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

m = U = Pm SV ;

Рис. 11.3. Спектр пропускания оптического волокна на основе кварца [8]

11.3. Фоторезисторы

При генерации в однородном полупроводнике, например n-типа проводимости, элек- тронно-дырочных пар при его освещении в полосе собственного поглощения происходит изменение концентрации основных nno и неосновных pno носителей. В том случае, если изменение концентрации основных носителей nno сопоставимо с их начальной концентрацией nno, то суммарная концентрация основных носителей nn = nno + nno возрастает, а следовательно возрастает и величина удельной проводимости. В том случае, если увеличение концентрации основных носителей существенно больше,

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