Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы13

Лекция 13. Приемники и полупроводниковые источники оптического излучения.

Содержание:

• Фоторезисторы

• Фотодиоды

• Фототранзисторы

• Фотоэлектронные умножители

• Спектральные характеристики фотоприемников

• Светоизлучающие диоды (СИД)

• Полупроводниковые лазеры

• Оптопары

Приемники оптического излучения, иначе называемые фотоэлектрическими приборами, служат для преобразования лучистой энергии (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучений) в электрический сигнал. Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы являются полупроводниковыми приборами, а фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – электровакуумными.

Фоторезисторы. При облучении светом поверхности полупроводника часть светового потока поглощается, а часть отражается. Отражение потока световой энергии характеризуется коэффициентом отражения

, (13-1)

где Ф и Фотр – падающий и отраженный световые потоки.

Поглощение света полупроводником приводит к тому, что световой поток на глубине х уменьшается по экспоненциальному закону:

Ф(х) = Ф(1 – R)e^-x (13-2)

где  - коэффициент поглощения.

При поглощении полупроводником кванта света, энергия которого больше или равна ширине запрещенной зоны (h  E_g), возможно рождение электронно-дырочной пары. Вероятность рождения этой пары  называют квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. За счет рождения дополнительных электронно-дырочных пар сопротивление полупроводника уменьшается.

Полупроводниковые приборы, сопротивление которых изменяется под действием светового потока, называются фоторезисторами.

Положим, что n₀ и р₀ – равновесные концентрации электронов и дырок в полупроводнике. Тогда его темновая проводимость равна:

₀ = q(n₀_n + p₀_p). (13-3)

При освещении полупроводника концентрации электронов и дырок увеличатся и станут равными n₀ + n и р₀ + р, увеличив проводимость до значения

 = q((n₀+ n)_n + (p₀+ р)_p).

Разность  - ₀ = q(n_n + р_p) и есть фотопроводимость полупроводника.

Число генерируемых в единицу времени пар носителей пропорционально количеству фотонов N, падающих на образец полупроводника в единицу времени:

.

При включении облучающего фоторезистор света избыточная концентрация неравновесных носителей нарастает по закону:

,

где  - время жизни неравновесных носителей.

При t >> концентрация неравновесных носителей стремится к стационарному значению nст = N. При выключении света концентрация убывает по экспоненциальному закону:

.

В соответствии с законами нарастания и спада концентрации неравновесных носителей изменяется и величина фотопроводимости. Эти явления постепенного изменения фотопроводимости при включении и выключении светового потока называются релаксацией фотопроводимости.

Так как сопротивление обратно пропорционально проводимости, то зависимость сопротивления от светового потока нелинейна. Максимальным сопротивлением обладает неосвещенный фоторезистор. Это сопротивление называется темновым и обозначается R_Т.

Характер зависимости сопротивления фоторезистора от светового потока приведен на рисунке 13-1 а), а условное графическое обозначение на рисунке 13-1 б).

Материалами для изготовления фоторезисторов служат сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид и селенид свинца, а в инфракрасном диапазоне используются фоторезисторы на основе германия, охлаждаемые до температуры жидкого азота (77К).

Быстродействие фоторезисторов обусловлено в основном временем жизни неравновесных носителей. Большинство фоторезисторов могут быть использованы до частот 10³-10⁴ Гц.

Фотодиоды. Фотодиодом называют полупроводниковый диод, в котором под действием падающего на него светового потока образуются дополнительные электронно-дырочные пары, обусловливающие дополнительный ток (фототок I_Ф). Фототок вызван внутренним фотоэффектом, поэтому должно выполняться соотношение hE_g.

Конструкция фотодиода должна предусматривать возможность освещения обедненной области (рисунок 13-2).

Р-область, показанная на рисунке 13-2, сделана тонкой, чтобы свет мог достигать обедненной области.

На возникшие под действием света электронно-дырочные пары действует встроенное электрическое поле, увлекающее дырки в р-область, а электроны – в n-область (рисунок 13-3).

Если выводы р- и n-областей соединены накоротко (U = 0), то при освещении через р-n переход протекает ток, являющийся фототоком и имеющий отрицательный знак. В общем случае (U  0) фототок добавится к диффузионному току, определяемому уравнением 3-6, и вольт-амперная характеристика освещенного фотодиода будет описываться формулой:

. (13-4)

Фототок пропорционален количеству квантов , поглощенных в р-n переходе в единицу времени, т.е. I_Ф  Ф. Семейство ВАХ светодиода при различных световых потоках приведено на рисунке 13-4 а).

Фотодиод может работать в схеме с внешним источником питания и без него. Режим работы с внешним источником называется фотодиодным, а без внешнего источника – режимом генерации фото-ЭДС. На рисунке 13-5 изображены характерные режимы работы фотодиода.

1. Режим короткого замыкания. Из формулы 13-4 при U = 0 получаем I_кз = - I_ф. Так как I_ф  Ф, то этот режим удобно использовать для измерения светового потока.

2. Режим холостого хода. Из формулы 13-4 при I = 0 получаем

_{. (13-5)}

Напряжение холостого хода нелинейно зависит от светового потока и не может превышать контактной разности потенциалов, которая, в свою очередь, меньше ширины запрещенной зоны E_g. Обычно напряжение холостого хода кремниевых фотодиодов не превышает 0,7 В.

3. Фотодиодный режим. Соответствует области отрицательных смещений U < 0. При U  >> _Т из формулы 13-4 получаем I = -(I₀ + I_Ф). В фотодиодном режиме быстродействие фотодиода максимально.

p-i-n фотодиод. Отличие от обычного фотодиода заключается в том, что в p-i-n-фотодиоде р- и n-области полупроводника разделены слоем собственного полупроводника (i-слой). Таким образом, в приборе имеются два перехода: в p-i и i-n. Если к фотодиоду приложить обратное напряжение такой величины, что области объемного заряда обоих переходов перекрываются в i-слое, то образуется как бы один переход, запирающий слой которого лежит в i-области. Фоточувствительным является весь i-слой. Изменяя толщину i-слоя, можно получить заданную эффективность детектора и емкость между р- и n-областями. Поэтому в настоящее время p-i-n-фотодиод является наиболее распространенным фотодетектором.

a)

Фототранзистор. Представляет собой полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, обладающий свойством усиливать фототок (рис. 13-6).

Если базовый электрод отсутствует, то роль базового тока играет фототок, пропорциональный световому потоку, поглощенному базой. Такой транзистор включается в цепь аналогично обычному n-p-n-транзистору, за исключением базы, потенциал которой не фиксирован, т.е. может «плавать».

Генерирование светом электронно-дырочных пар в базе р-типа приводит к тому, что неосновные носители-электроны устремляются к коллектору, в результате чего база заряжается положительно и ее потенциал поднимается над потенциалом эмиттера. Электронно-дырочный переход эмиттер-база открывается. При коэффициенте передачи базового тока  ток коллектора I_к = I_Ф.

Достоинством фототранзистора является его высокая чувствительность, вызванная усилением фототока, а недостатком – несколько меньшее быстродействие, чем у фотодиода.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Работа фотоэлектронных умножителей основана на внешнем фотоэффекте и явлении вторичной электронной эмиссии. ФЭУ является электровакуумным прибором (рисунок 13-7).

Квант света падает на тонкий фотокатод ФК. Если энергия кванта превосходит работу выхода электрона из материала фотокатода (h  А_вых), то возможно выбивание электрона из фотокатода (внешний фотоэффект). Под действием ускоряющего напряжения U₁ электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для выбивания нескольких электронов из динода Д₁ (вторичная электронная эмиссия). В свою очередь, каждый из вторичных электронов ускоряется разностью потенциалов U₂ - U₁ и выбивает из динода Д₂ несколько электронов. Эти электроны собираются на аноде, вызывая анодный ток I_а. Анодный ток оказывается значительно усиленным по сравнению с током фотокатода I_к.

Современные ФЭУ содержат более десятка динодов, поэтому коэффициент усиления К = I_а/I_к может составлять 10⁴-10⁵. Потенциал каждого последующего динода должен превышать потенциал предыдущего на 100-200 В. Максимальный потенциал имеет анод, поэтому для питания ФЭУ нужен источник стабильного высокого напряжения (1 кВ). ФЭУ могут обладать высокой чувствительностью и быстродействием. Выпускаются ФЭУ, способные работать в режиме счета отдельных фотонов. Неудобствами ФЭУ являются сравнительно большие размеры и высокое напряжение питания.

Спектральные характеристики фотоприемников. Важное значение для применений фотоприемников имеет диапазон длин волн оптического излучения, в котором фотоприемник эффективно работает. Количественно реакция фотоприемника на падающее излучение характеризуется монохроматической токовой чувствительностью S_I(). Если на фотоприемник падает поток монохроматического излучения Ф_ и при этом ток фотоприемника равен I, то

(13-6)

Обычно в справочных материалах на данный фотоприемник приводятся длина волны _m, соответствующая максимуму чувствительности (рисунок 15-8), и интервал длин волн от  до . Эти параметры зависят от материала фотоприемника. Максимум чувствительности Siфотодиодов лежит в ближней ИК-области (_m = 0,8-0,9 мкм).

Светоизлучающие диоды (СИД). Светоизлучающим диодом, или светодиодом, называется полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение квантов света происходит при излучательной рекомбинации носителей в области р-n перехода. Si и Ge не могут быть использованы в качестве материалов СИД, т.к. вероятность излучательной рекомбинации в этих материалах крайне мала. К полупроводникам, в которых вероятность излучения велика, относятся GaAs, GaP, GaN, InGaAsP и т.д. В СИД часто используются твердые растворы GaAS_1-xP_x.

Когда через СИД проходит прямой ток, то инжектированные из эмиттера электроны рекомбинируют с дырками в р-базе вблизи p-n перехода (рис. 13-8). Если рекомбинация излучательная, то рождается фотон с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны полупроводника: h  E_g. этот процесс называется электролюминесценцией.

Спектральная чувствительность человеческого глаза находится в диапазоне цветов от фиолетового до красного. По длинам волн этот диапазон простирается от _ф = 0,39 мкм до _к = 0,77 мкм, что соответствует энергии квантов от 2,8 эВ до 1,8 эВ, поэтому для СИД видимого диапазона следует брать полупроводники с шириной запрещенной зоны, лежащей в этих пределах. Наилучшие параметры имеют СИД, изготовленные на основе гетеропереходов, представляющих собой контакт полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Двойная гетероструктура СИД позволяет получить больший КПД и быстродействие по сравнению с p-n переходом в одном и том же полупроводнике; ее можно представить в виде сэндвича, у которого средняя часть представляет собой полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, чем крайние. Именно тонкая средняя часть является излучающей.

Полупроводниковые лазеры. Лазер – генератор когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения. В полупроводниковом лазере когерентное излучение генерируется при пропускании через него электрического тока. Вынужденное излучение состоит в том, что при воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в основное состояние и испусканием фотона с точно такой же энергией, фазой и летящего в том же направлении, что и падающий фотон. Если создать среду, в которой количество возбужденных атомов превышает количество невозбужденных (среду с инверсной населенностью), то возможно усиление оптического излучения.

Инверсная населенность в полупроводниковом лазере создается путем инжекции через прямосмещенный p-n переход. Для генерирования лазерного излучения необходим также оптический резонатор. Он создается шлифовкой граней кристалла, которые играют роль полупрозрачных зеркал.

При малых токах не достигается инверсная населенность уровней, поэтому нет эффекта генерации когерентного излучения. Только начиная с некоторого порогового тока возникает лазерное излучение. Использование структуры с двумя гетеропереходами позволяет существенно снизить пороговый ток. На рис. 13-9 а) приведено чередование слоев в лазерной двойной n+-p-p+ гетероструктуре, а на рис.13-9 б) – зонная диаграмма в активном режиме генерации лазерного излучения.

Активная область представляет собой слой p-GaAs толщиной d = 0,1-0,3 мкм. Инверсная населенность создается внутри активной области, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами.

Если толщину активного слоя уменьшить до менее чем 20 нм, начинают проявляться размерные квантовые эффекты. В последнее время широко исследуются лазеры на таких квантовых колодцах. Эти новые лазеры имеют характеристики, сильно отличающиеся от обычных лазеров на двойных гетеропереходах: имеют существенно меньший пороговый ток, более узкий пик излучения и более высокий КПД.

Оптопары. Оптопарами, или оптронами, называются электронные приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие оптическую связь. Передача сигналов с помощью оптопар обеспечивает гальваническую развязку между источником сигнала и приемником, т.к. оптическое излучение не проводит электрический ток. В качестве источника излучения обычно используется светоизлучающий диод, а приемником может быть фотодиод, фототранзистор, фототиристор и т.д.