Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения (1991).pdf
Скачиваний:
625
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
10.9 Mб
Скачать

Параметры Ф ПОр, Фспр» ^ вкл 0,

У0ст

имеют весьма значитель­

ный технологический и температурный

разбросы (рис. 4.20, б).

Д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й

ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ю

фототиристора по напряжению называют отношение приращения напряжения включения фототиристора к приращению светового потока (рис. 4.20, б)

= АКвкл/АФ.

Чтобы определить SD фототиристора, проводят касательную,

задаются ДФ и определяют

соответствующее ему

ДУВКЛ> взятое

по касательной, например,

в точке /С, где S D =

4,5 В/млм.

И н т е г р а л ь н у ю

ч у в с т в и т е л ь н о с т ь фототи­

ристора по току определяют как отношение среднего значения номинального тока, протекающего через открытый фототиристор, к световому потоку источника типа А — Ф пуск ПРИ заданном анод­ ном напряжении, которое указывается в паспорте.

Фототиристорам присущи дробовый (белый) и низкочастотный токовый шумы (1//), определяемые по ранее приведенным фор­ мулам, однако определять их нет необходимости, так как на прак­ тике определяют минимальный световой поток Ф пуск, обеспечи­ вающий четкое управление прибором. При использовании фото­ тиристоров следует учитывать зависимость Увкл от рабочей тем­ пературы, 1/вкл = / (Т). Сумма температуры среды Т и нагрева протекающим током 0 не должна превышать допустимой темпе­ ратуры для фототиристора. Благодаря особенностям р —пр — ftструктуры фототиристоры имеют некоторые преимущества перед ФД и ФТ в схемах, преобразующих падающий поток излучения в электрический сигнал (в фотореле, логических схемах и т. д.): область рабочих напряжений фототиристоров на порядок выше ФД и ФТ; предельно допустимый ток фототиристора и его инте­ гральная чувствительность в 3— 4 раза выше, чем у ФТ; постоян­ ная времени фототиристора сравнима с ФД и меньше, чем у ФТ; диапазон рабочих температур сравним с кремниевым ФД, а на­ личие управляющего электрода позволяет осуществлять тем­ пературную компенсацию.

§ 4.5. Приемники излучения на основе многокомпонентных систем

В приборах, работающих в ИК-области спектра, в последние годы получили широкое применение узкозонные ПИ на основе

твердых растворов (тройных и более

соединений)

Hgi_a.Cd3.Te;

Pbi-xSn^Te; Pbj^Sn^Se;

Al^Ga^^-Sb;

In^-Ga^As;

GaAsx_xSbx

и четырехкомпонентных

систем In — Ga— As— P.

 

Особенность названных материалов состоит в возможности из­ менять ширину запрещенной зоны смеси, а следовательно, спек­ тральную чувствительность в зависимости от химического состава твердого раствора (рис. 4.21) [46]. Это позволяет создавать узко-

Рис. 4.21. Зависимость ширины запрещенной зоны полупро­ водника от состава HgTe—CdTe (а) и относительная спек­ тральная чувствительность фотоприемников на основе

Hgl_*CdxTe (б);

1 - 235 К; 2 — 4,2 К; 3 — ДЕ3 для X = 10,6

зонные охлаждаемые для ИК-области ПИ с максимумом чувстви­

тельности

в

диапазонах:

0,8— 30 мкм

для

Hgi^Cd^Te;

6,5—

31,8

мкм для

Р Ь ^ Б о Д е ;

8,4— 31,2

мкм для

P b^Sn^Se

и не-

охлаждаемые

ФД и ЛФД:

0,7— 1,6 мкм

для

A l^G a^S b ;

1,0—

1.7

мкм

для

Inx G a ^A s ;

0,8— 1,5 мкм

для

GaAs^Sb^.;

1,0—

1.7

мкм

для

In — Ga— As— Р. Для

выращивания кристаллов

Hg1_a.Cd3.Te используют смеси чистых элементов или чаще

смеси

соединений HgTe и CdTe. На их основе изготавливают высоко­ чувствительные и быстродействующие Ф Р и ФД, не уступающие по обнаружительной способности в диапазоне 8— 14 мкм лучшим

ПИ из примесного

германия.

Чувствительный

элемент Ф Р из H g^Cd^T e приклеивают

обычно эпоксидным клеем на сапфировую или германиевую под­ ложку и полируют до толщины 20— 30 мкм, травят и на него напыляют индиевые контакты. Зти Ф Р превосходят ФД на той же основе по обнаружительной способности, но уступают ФД в бы­ стродействии. Лучшие ФР имеют S v = 2 х Ю4 'В/Вт, а т = 10"в с.

ФД на основе Hgx аА^Те изготавливают по диффузионной технологии и ионным легированием, применяемым в последние годы.

На базе Hg^CdaTe в последние годы созданы фотогальванические мозаичные ПИ. 20-элементный ПИ на этой основе имеет: при 77 К АХ = 8 -i-ll мкм, спектральную дисперсию ±0,3 мкм, площадь элемента 10~4 см2, расстояние между элементами 50 мкм,

D = 5х109 см-Гц1/2/Вт, т] = 20% и динамическое

сопротивление

200 Ом. Ф Р и ФД на основе Pbx_a.Sria.Te в настоящее

время широко

распространены, у них наблюдается также линейная зависимость ширины запрещенной зоны от состава. К недостаткам ФР на основе Рbi_3CSna Tе относятся высокое значение диэлектрической по­ стоянной (16 для Hgi^Cda-Te и 400 для Pb^Sn^Te), которое сни­

жает быстродействие, и более низкая (на 1,5— 2 порядка) обнару­ жительная способность, чем у Cd^Hga-Te, однако технологич­ ность сплавов РЬТе— SnTe при выращивании однородных и совершенных монокристаллов ставит их в один ряд со сплавами

HgTe— CdTe. Спектральная

характеристика

таких ФР

из

Pb0}83Sn0,17Te при 77 К имеет максимум при X =

14 мкм.

 

Для поликристаллических

пленочных Ф Р (Pb1-3CSnxTe),

по­

лученных методом ВЧ катодного распыления в присутствии кисло­ рода, вольтовая чувствительность достигает 480 В/Вт при токе

смещения 80 мкА и D% (X = 8,5;

800; 1) = 109 см-Гц1/2/Вт. ФД

в фотогальваническом режиме на

основе Pbl 3CSn:)CTe (ФВ) имеют

существенное преимущество перед ФР, так как их низкое со­ противление облегчает согласование приемника с высокочастот­ ным усилителем; они не нуждаются в питании, имеют низкий уровень шумов и большую обнаружительную способность при малой постоянной времени. ФД в фотогальваническом режиме фирмы Raytheon, смонтированные на охлаждаемой площадке стеклянного сосуда Дьюара, заполненного жидким азотом, ра­

ботают в

спектральном

интервале 8— 12

мкм, имеют

R = 20ч-

-4-150 Ом,

D J max> 2 x l 0 10 см-Гц1/2/Вт

и постоянную

времени

1,5x10“8

с.

 

 

 

Более

простыми в

технологическом

отношении

являются

ФВ — фотодиоды с барьерами Шоттки, изготавливаемые нанесе­ нием на подложку P b ^S n ^T e слоя металла или выращиванием на металлической пленке полупроводникового слоя. Такие фо­ тодиоды самые длинноволновые (;X" = 30 мкм при х = 0,3, Т = = 4,2 К), они дешевы в изготовлении, но имеют меньшую об­ наружительную способность. На базе Р Ь ^ Б а Д е с барьером Шоттки изготавливаются в настоящее время матричные ФВ фото­ приемники с числом элементов до 40 со следующим разбросом па­

раметров:

R qS

= 0,92— 1,38

Ом-см2, С0 =

(82ч-91,2) х Ю “8

нф;

т) = 0,44^-0,53;

D £(X =

11;

1050;

96) =

(2 ,9 - 3 ,9) Х Ю10

см х

хГц 1/2/Вт.

 

 

 

 

 

 

 

На основе

тройных

соединений

P b^Sn^Se изготавливают

в основном

Ф В

фотоприемники с барьером

Шоттки, получаемые

вакуумным последовательным напылением слоев Ph^Sn^-Se

(0,062 <; х <; 0,070)

и свинца

на подложку В aF2.

Они имеют

обнаружительную

способность

DZ=w,i = 3 , 5 х Ю 10

см-Гц1/2/Вт

при Т =

80 К и Q = (1/84-1/4) ср, что на порядок выше, чем для

Ф В на

основе объемных кристаллов.

 

Селективные варизонные ФД на основе тройных соединений AlxGai_*Sb, In ^G a ^A s, G aA s^Sb* и четырехкомпонентных соединений для ближней ИК-области спектра 1,0— 1,5 мкм обла­ дают высокой пороговой чувствительностью, быстродействием и высокой селективностью по спектру, что необходимо при работе ПИ с лазерными и световодными системами, работающими в этом спектральном диапазоне [18]. Структуру такого ФД можно пред­ ставить в виде трех эпитаксиальных слоев различного состава,

e

,

t

n

r

n----гт—------ n

о—

H

I

— г

0,2-0,3

if

'*

''

'//

'//

вШл)

i n m i v v vi vi/

 

В)

E,

AE,

2 3 4

Толщина

 

слоя

 

 

 

Рис. 4.22. Структура

варизонного

 

 

 

ФД на основе Al3CGa1_xSb (а), измене­

 

 

 

ние Д £ 3

по его толщине (б) и кривые

 

 

 

его спектральной чувствительности (в):

 

 

 

1 — подложка;

2 — буферный слой; 3 и

 

 

 

4 — слои

р- и n-типов;

б, 6 — омические

 

 

 

кольцевые

контакты; увеличение номера

 

 

 

кривой ( I —V II)

соответствует увеличению

0,6

0,8

1,0

1,2 М ,э В

содержания

А1

 

 

 

последовательно выращенных на подложке 1 (рис. 4.22, а). При

совпадении плоскости р — n-перехода

с

границей раздела гетеро­

перехода между слоями 3 и 4 и

>

ДЕЗА освещение произ­

водят со стороны подложки 1 (инвертированный ФД) и слои 1— 3 должны быть прозрачными для регистрируемого излучения, а ширина полосы спектральной чувствительности определяется разностью ДЕ 93 Д ^ (рис. 4.22, б). Если Д £ 33 < Д ^ , то освещать ФД надо со стороны слоя 4. В случае, если ширина за­ прещенной зоны плавно убывает от подложки до р — /г-перехода, а освещение производится со стороны подложки, фотоэффект воз­ никает в узкой спектральной области. Наблюдается селективный фотоэффект, связанный с физикой работы варизонного полупро­ водника.

На рис. 4.22, в показано изменение спектральной чувствитель­ ности селективных фотодиодов на основе гетеропереходов в твер­

дом растворе A lxG a^S b при увеличении содержания

алюминия

(кривая смещается вправо,

I —VI). В зависимости от содержания

алюминия в р- и /г-слоях

твердого раствора удается

получить

как узкую, так и широкую полосы спектральной чувствительности

подобных фотодиодов.

 

 

 

 

 

Варизонные

фотодиоды

с

р —л-гомопереходом

на

основе

In ^G a^A s изготавливают на спектральный диапазон

0 ,81,0 мкм

или 0 ,81,1 мкм газофазной

эпитаксией

на подложках

GaAs.

С р —/г-гомопереходом или

гетеропереходом на подложках InP,

изготовляемые

жидкофазной

эпитаксией

Ga0,47ln 0,B3As,

имеют

диапазон спектральной чувствительности 0,1— 1,7 мкм с возмож­