В последние годы для охлаждения Ф Р используют газовые микрокриогенные машины, работающие на основе различных цик­ лов с ресурсом работы до 20 тыс. ч при температуре охлаждения до 4 К и хладопроизводительности более 2 Вт, однако при их работе возникают вибрации и помехи, которые ухудшают пара­

фекте Пельтье, в которых охлаждение достигается за счет проте­ кания электрического тока через термопарные спаи, при этом один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Самым распро­ страненным материалом для термоэлектрических холодильников служит теллурит висмута (Bi2Te3), у которого показатель доб­ ротности равен (2— 2,5) X 10~3 К"1. При использовании одного каскада такого микрохолодильника достигают перепада темпера­ тур холодного и горячего спаев 70°. При использовании несколь­ ких каскадов термоспаев достигают температуры 140— 160 К, что бывает часто недостаточно. Тем не менее в диапазоне охлаж­ дения 200— 273 К указанные термоэлектрические микрохоло­ дильники широко применяют, так как они имеют большой ресурс работы и малые размеры, бесшумны в работе, у них отсутствует вибрация.

Конструкции неохлаждаемых ФР. Конструктивно Ф Р состоит из тонкого слоя фоточувствительного полупроводникового мате­ риала с электродами в виде пленок, которые не подвергаются кор­ розии, наносимых испарением в вакууме из золота, платины или серебра. Фоточувствительный слой Ф Р из CdS и CdSe наносят пульверизацией на стеклянную или керамическую подложку, реже испарением в вакууме и спеканием порошкообразной массы. Ф Р на основе PbS и PbSe изготавливают химическим осаждением фоторезистивного слоя на подложку из стекла или кварца. Для защиты резистивного слоя от действия атмосферы его покрывают лаком или заделывают в герметичный корпус.

В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, где не применяли бы ФР. Их широко используют в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в приборах спектрального ана­ лиза, в системах световой сигнализации и защиты. ФР применяют в системах контроля и измерения геометрических размеров, ско­ ростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами, для определения качественного и количественного состава твердых, жидких и газообразных сред и т. д. Ф Р сегодня— один из самых распространенных ПИ.

§ 4.3. Фотодиоды

Принцип действия фотодиодов. Фотодиодами называют полу­ проводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р — n-перехода, при

Рис. 4.9. Схема генерирования и разделения пар носителей заряда при освеще­ нии р —/г-перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную на­ грузки: фотодиодный (б, г) и фотогальванический (в, д)

освещении которого появляется э. д. с. (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обрат­ ного тока (фотодиодный режим). Фотодиоды (ФД) можно изго­ тавливать на основе гомоперехода (р — /г-перехода, образованного на границе двух областей одинакового материала, но с приме­ сями противоположного типа), гетероперехода (р— /г-перехода, образованного на границе двух областей разного материала с при­ месями противоположного типа) и барьера Шоттки (контактного барьера, образующегося на границе металл и /г-полупровод- ник или металл и р-полупроводник и различных МДП струк­ тур) [85].

Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возни­ кает при освещении одной или обеих областей р — /г-перехода. Рассмотрим режимы работы ФД. При работе ФД в фотогальваническом режиме в случае освещения п-области в ней образуются но­ вые носители заряда — электроны и дырки (рис. 4!.9, а). Они диффундируют к р — п-переходу, где неосновные носители — дырки — переходят в /7-область (обратный ток неосновных носи­ телей), а электроны, для которых диффузионное поле р — /г-пере­ хода является запирающим, остаются в /г-области.

При постоянном освещении в p-области накапливаются дырки, а в /г-области — электроны. Это приводит к появлению фото- э. д. с, поле которой направлено против поля диффузии в р — /г-

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещении пря­ мой ток будет увеличиваться до тех пор, пока токи основных и неосновных носителей не уравновесятся, при этом между электро­ дами р — n-перехода устанавливается некоторая разность потен­

зочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей 18, называемый темновым током. При освещении появляется дополнительный фототок неосновных но­ сителей

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характе­ ристики фотогальванического режима.

Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосред­ ственно преобразует энергию света в электрическую (при осве­ щенности 8000 лк фото-э. д. с. составляет 0,1 В). При работе ФД в фотодиодном режиме к нему прикладывают обратное напряжение (рис. 4.9, б). В этом случае в отсутствии освещения через р — п- переход и сопротивление нагрузки протекает обратный дырочный ток I s. При освещении же дг-области через р — ^-переход и со­ противление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неосновных носителей /ф. Суммарный ток в цепи будет складываться из темнового тока и фототока неосновных носителей.

Ток основных носителей в диодном режиме можно считать пре­ небрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение источника питания складывается с напряжением поля диффузии р — n-перехода и препятствует току основных носителей.

Выражение для вольт-амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид

(4.23)

где V — напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим схемы включения, вольт-амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

Фотодиодный режим работы ФД. Схема включения ФД в фотодиодном режиме приведена на рис. 4.9, б, а эксперимен­ тально полученные вольт-амперные характеристики ФД-1 — на рис. 4.10, а, б.

Теоретически вольт-амперные характеристики можно рассчи­ тывать по формуле (4.23) [23, 24]. При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых а, так как

tg а = 1/Я„ = I/V„.

С учетом этого выражения можно получить две приближенные формулы для Sy шах при /ф > 18 и /ф <g; /s, удобные для практи­ ческих расчетов:

1ф^> Is — Sy max = Уд/Фшах;

чем меньше значение темнового тока I s. При работе ФД с модули­ рованным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоно­ вой засветки целесообразно иметь минимальную вольтовую чув­ ствительность по постоянному току (от фона) и максимальную по переменному току (от объекта). Для этого используют трансфор­ маторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктив­ ное сопротивление) и малое по постоянному току (активное со­ противление) (рис. 4.10, г). Вольт-амперные характеристики в этом случае будут иметь вид, приведенный на рис. 4.10, г [94].

По постоянному току /= сопротивление нагрузки R H= должно быть малым. В идеале надо иметь режим короткого замыкания

ками по постоянному и переменному токам Я н~ определяет воль­

противление нагрузки по постоянному току желательно делать намного меньше R Hmах, вычисленного по формуле (4.24).

Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальваническом режиме работы ФД (рис. 4.9, в) напряжение на р — п-пере- ходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно

Напряжение холостого хода VT. х (фото-э. д. с.) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, рав­ ного контактной разности потенциалов р — /г-перехода. Зависи­

потери чувствительности, так как позволяет реализовать большее отношение сигнал/шум. ФД в фотогальваническом режиме имеют малое внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым сопротивлением нагрузки (в измерительных приборах и усилителях с малым входным сопротивлением).

Фотодиоды в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением и применяются в цепях с большим со­ противлением нагрузки.

Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь малый уровень шума.

Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоян­ ная времени ФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком по­ верхностном слое) до р — п-перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации тр (7?С-цепочка ФД). Постоянная времени RC-цепочки у обычных ФД не превышает 10~9 с, поэтому при глубине залегания р — я-перехода (толщине базы) в несколько микрометров времени переноса неосновных но­ сителей составляет 10“7— 10“8 с, что и определяет тФД. Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неос­

ляется диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоян­ ная времени и большая граничная частота получаются при осве­ щении р-полупроводника, так как коэффициент диффузии элект­ ронов (неосновных носителей), образующих фототок D ei значи­ тельно больше коэффициента диффузии дырок Ь р, а следователь­ но, время диффузии электронов соответственно короче.

где /in, hp — толщина базы из п- и р-полупроводников соответ­

(область с более высокой концентрацией примеси обозначается плю­ сом над буквой примеси — р+— п или р — я+) постоянная времени т и граничная частота /гр определяются механизмом переноса но­ сителей тока за счет диффузии в электрическом («тянущем») поле р — я-перехода, которое уменьшает т на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации (тр = RC) также умень­ шается.

В диодном режиме при наличии обратного внешнего напряже­ ния питания наблюдается механизм переноса носителей тока пу-

Рис. 4.12. Изменение спектральной чувствительности кремниевого ФД при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному

(а) и влияние на нее температуры (б)

где /4ФД — площадь фоточувствительной площадки, см2; р (к) — спектральный коэффициент отражения, отн. ед.

Из выражения (4.28) можно получить абсолютную спектраль­ ную характеристику чувствительности фотодиода (А/Вт)

•^абс ^ Ш Р М Л ^ М-

Как видно из этого выражения, спектральная чувствитель­ ность ФД определяется в основном свойствами полупроводника, из которого он изготовлен. Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р — /г-перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Чтобы повы­ сить спектральную чувствительность в длинноволновой области, надо увеличить диффузионную длину носителей, а в коротковол­ новой области — создать большие тянущие электрические поля в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись тянущим полем и не успевали рекомбинировать, как это проис­ ходит в поверхностно-барьерных ФД. Спектральная чувствитель­ ность ФД меняется при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент собирания но­ сителей (рис. 4.12, а). На спектральную чувствительность ФД значительно влияет температура фоточувствительного слоя. Повы­

ФД и ИК-область (рис. 4.12, б), и, наоборот, понижение темпе­ ратуры уменьшает диффузионную длину неосновных носителей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувстви­ тельность в коротковолновую область. Совокупный эффект этих механизмов для Si показывает рис. 4.12, б, из которого видно,

D,сМ'Гц^'Вт*

Рис. 4.13. Спектральные характеристики охлаждае­ мых ФД из InSb (а), неохлаждаемы.х из InAs (б); GaAs, Si и Ge (в)

приводятся спектральные характеристики неохлаждаемых и охла­ ждаемого ФД. Интегральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3— 20 мА/лм, германиевых 15— 25 мА/лм.

Энергетическая характеристика, шумы и обнаружительная спо­ собность ФД. Энергетическая характеристика ФД в диодном режиме линейна в широких пределах. В фотогальваническом — нелинейна, но диапазон измерения сигнала велик. Линейность энергетической храктеристики в фотогальваническом режиме наблюдается только при условии /ф Is. Значение потока излу­ чения, для которого сохраняется линейность энергетической характеристики в фотогальваническом режиме,

мости от /ф, невозможно подобрать оптимальное для всех случаев ЯнДля случая 50 < 1ф/18 Ю10 с погрешностью 3— 4% можно считать оптимальным

In (/<h//s)

времени ФД, уменьшают толщину базы, чтобы образовавшиеся на поверхности носители быстрее дошли до р — n-перехода и там рекомбинировали. Расширяют р — м-переход за счет подачи вы­ сокого обратного напряжения, чтобы излучение в большей сте­ пени поглощалось в нем. Делают базу прозрачной для регистри­

тавливают на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки, поверх­ ностного барьера, создаваемого ионным легированием, и на основе

р—i— n-структур .

Ввысокочастотных ФД с гетеропереходом материал освещае­

мого полупроводника подбирают так, чтобы регистрируемое из­ лучение проходило сквозь него и поглощалось в самом р — п-пере- ходе. Глубину залегания р — л-перехода в этом случае делают небольшой (гетерофотодиод с переходом nGaAs— pGe имеет глу­ бину залегания р — /г-перехода 50 мкм). Кроме того, р — п-пере­ ход расширяют за счет обратного напряжения, что позволяет получить постоянную времени 10— 20 не.

В последние годы разработаны ФД с гетеропереходом на основе

хальгогенидов свинца (PbS, PbSe и РЬТе), ФД с гетеропереходом PbS— GaAs, с контактами из золота на PbS и из Au— Sn на GaAs

p-типа, далее идет слой PbS n-типа, полученный ионным леги­ рованием (внедрением ионов Sb), и слой S i0 2 с отверстиями для электролитического осаждения контактов из Au на слой PbS /г-типа. При 77 К и нулевом смещении такие ФД с площадкой

на поверхности полупроводника. Их изготавливают на основе эффекта Шоттки (образование контактного барьера на границе металл — полупроводник) или специальной обработкой, когда поверхностный слой полупроводника в отличие от объемного при­ обретает иной знак [23]. На рис. 4.15, а показано схематическое устройство ПБДФ на эффекте Шоттки. Падающий поток проходит

*

1111 z

Рис. 4.15. Схема ПБФД (а), его усредненные спектральные характеристики (б) и структура ФД р—i—/г-типа (в):

1 — просветляющее покрытие; 2 — тонкая полупрозрачная пленка из золота или палла­ дия; 3 — область р —п-барьера; 4 — изолирующее кольцо; 5 — омический контакт; 6 — AuGaP; 7 — AuGaAsP; 8 — сАстра-1»; 9 — ФПЗ-1

сквозь просветляющее покрытие 1 и сквозь оптический контакт с поверхностным инверсионным слоем 2 , выполненный из тонкой

к слабой зависимости фототока и постоянной времени от на­ пряжения питания. ПБФД имеют более широкий диапазон спек­ тральной чувствительности. Сильно поглощаемое УФ-излучение проходит через тонкую пленку золота и поглощается в области р —я-перехода, что позволяет реализовать спектральную чувстви­ тельность до 0,2 мкм. С другой стороны, отсутствие термообра­ ботки при изготовлении ПБФД обеспечивает высокую диффузи­ онную длину неосновных носителей, что сдвигает границу чув­ ствительности в ИК-область.

На рис. 4.15, б приведены усредненные относительные спек­

p-типа толщиной 2— 6 мкм выращивают на подложке из BaF2 шириной примерно 0,35 мкм. Поверхностный барьер формируют напылением на них свинца. Омические контакты создают напыле­ нием на них платины. Такие ПБФД площадью 10~3 см2 при 77 К

При работе на высоких частотах, при небольших обратных сме­ щениях ( ~ 6 В) основную роль играют тепловой шум сопротивле­ ния нагрузки.