Классификация детекторов

Современные детекторы по принципу действия делятся на два основных класса: 1) тепловые;

2) фотонные (или квантовые).

В тепловых детекторах под воздействием излучения повышается температура, что приводит к изменению физических свойств матери­ала (сопротивления, поляризации, ЭДС, коэффициента теплового рас­ширения и т.д.). Выходной сигнал тепловых детекторов определяется только мощностью падающего излучения и не зависит от его спект­рального состава.

В фотонных детекторах (фотодетекторы) используется взаимдействие фотонов с электронами в чувствительных к излучению материалах. Такое взаимодействие приводит либо к выходу электрона из твердого тела в вакуум (внешний фотоэффект), либо к переходам электронов между состояниями внутри кристаллической решетки (внут­ренний фотоэффект).

Классификация детекторов по принципам обнаружения выходного сигнала и конструктивным особенностям представлена на рис.4. Воз­можно также подразделение детекторов излучения по рабочим температурам. Как правило, длинноволновое излучение воспринимается детекторами, функционирующими при очень низких температурах (4-15К), детекторы среднего ИК излучения работают в интервале 77-195К, большинство детекторов видимого и ближнего ИК диапазонов не нуждаются в охлаждении .

Рис.4. Классификация современных детекторов оптического излучения

Тепловые детекторы

Тепловые детекторы (болометры, термопары, ячейки Голлея, пироэлектрические) широко применяются в ИК системах, что обус­ловлено следующими их свойствами: а) независимостью чувствитель­ности от длины волны излучения; б) функционированием при комнат­ной температуре; в) слабой чувствительностью к фоновому излучению. Тепловые детекторы используются в спектральном диапазоне от 0,3 до 1000 мкм. Их чувствительность может быть улучшена при охлаждении. Например, сверхпроводниковые болометры с рабочей температурой 4,2К применяются в астрономических исследованиях в дальней ИК и субмиллиметровой областях спектра.

Увеличение быстродействия тепловых детекторов достигается сведением к минимуму теплоемкости, поэтому обычно их выполняют в виде свободно подвешенных тонких пленок, имеющих минимальный контакт с подложкой.

Тонкопленочные термопары, полученные вакуумным осаждением металлических пленок, например, мышьяк-висмут, серебро-висмут, на подложки из сапфира или окиси бериллия, характеризуются време­нем фото-ответа 30 нсек при низкой чувствительности (5х 10^-6 В/вт}. Относительная простота изготовления и высокая надежность такой конструкции обусловливают ее применение при разработках пиромет­ров и лазерных детекторов для космических исследований.

Современные болометры изготавливаются на основе металличес­ких, полупроводниковых и сверхпроводниковых тонких пленок. Очень перспективным материалом считается полупроводниковый титанат стронция, легированный лантаном (BaSrTiO: La); выполненные из него образцы имели температурный коэффициент сопротивления 10% (по сравнению с 4% у лучших образцов других полупро­водниковых болометров) и малую обнаружительную способность 4х10⁵ см вт^-1гц^1/2. У лучших германиевых и кремниевых бо­лометров эквивалентная мощность шума NEP при рабочих температурах 4,2К достигает З. 10^-14 вт- гц^-1/2.

В ячейках Голлея падающее излучение поглощается металлической пленкой, передающей тепло окружающему газу (обычно ксенону). Расширяющийся газ отклоняет зеркало, установленное в стенке корпуса ячейки. Отраженный от зеркала световой луч воздействует на фото-ячейку, которая формирует выходной сигнал. Ячейки Голлея ха­рактеризуются высокой чувствительностью (1,5х 10⁹ см вт^-1- гц ^1/2 ). В современных конструкциях в качестве лампы используется диод на основе арсенида галлия, а фотоячейки заменены кремниевыми фотодиодами, что значительно повысило надежность ячеек Голлея и обус­ловило их широкое применение.

В настоящее время успешно разрабатываются пироэлектрические детекторы, действие которых основано на зависимости поляризации сегнетоэлектрических материалов от скорости изменения температу­ры. Они имеют емкостную структуру, в которой диэлектрическим слоем являются сегнетоэлектрики - триглицинсульфат (ТГС), ниобат стронция и бария, сульфат лития, ниобат стронция и циркония и др. Металлические электроды обычно выполняются из нихрома. При использовании органического пироэлектрика ТГС детекторы имеют вы­сокую чувствительность – 2.10⁹ см вт^-1 гц^1/2 на частоте 1 кгц .

В гетеродинном режиме детекторы на ТГС чувствительны к из­лучению в субмиллиметровом диапазоне (например, излучению лазера на HCN (337 мкм}. В случае излучения на 10,6 мкм (лазер на СО₂) при быстродействии 1 нсек чувствительность составляет 2х10^-7 а/вт. Чувствительность пироэлектрических детекторов на не­сколько порядков ниже, чем, например, кремниевых фотодиодов, однако в области дальнего ИК излучения только они работают без ох­лаждения.

Существенным недостатком детекторов на ТГС является относительно низкая температура Кюри (-49°С), при превышении ко­торой материал теряет сегнетоэлектрические свойства. Несмотря на обратимость этого эффекта, он ограничивает рабочий диапазон тем­ператур детектора. Температуру Кюри ТГС можно повысить, например, до 75°С посредством его легирования различными примесями .

Общий недостаток тепловых детекторов - их инерционность. Типичная рабочая частота составляет единицы килогерц. Повышение быстродействия до ~ 100 Мгц достигается за счет значительного уменьшения чувствительности.

Фотонные детекторы

Детекторы на основе внешнего фотоэффекта

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) относятся к вакуумным, а не твердотельным приборам, однако высокий уровень таких параметров, как линейность сигнала, динамический диапазон и усиле­ние (до 10⁸), позволяет успешно применять их для детектирования сла­бых оптических сигналов. ФЭУ показали себя надежными приборами в космических системах благодаря вибро-, ударо- и термо-стойкости (активированные цезием фото-катоды функционируют при повышении температуры до 150° С).

ФЭУ состоит из катода, эмитирующего электроны под действием падающего излучения, цепи динодов, эмитирующих вторичные электро­ны, и анода, направляющего умноженный ток электронов в выходную цепь. В последние годы интерес к ФЭУ возродился в связи с разра­ботками фото-эмиттеров на основе соединений группы А¹¹¹В^V, акти­вированных цезием; они обладают высокой чувствительностью к из­лучению в диапазоне 0,6-0,9 мкм. Использование таких катодов в сочетании с динодами на фосфиде галлия, активированном цезием, сделало возможным умножение с минимальным шумом при наимень­шем числе каскадов. При специальной конструкции таких динодов (рис. 5) достигается частотная полоса в 1 Ггц .

Фото-катоды и диноды выполняются из легированного полупроводникового материала группы А¹¹¹ В^V, покрытого либо тонким монослоем цезия, либо более толстым слоем Cs₂ 0.

При детектировании излучения лазера на арсениде галлия ( 0,87 мкм) фото-катод из арсенида галлия, активированного цезием, имеет квантовую эффективность 18%. Излучение лазера на АИГ: Nd (1,06 мкм} с наиболее высокой эффективностью (2-3%) восприни­мают активированные цезием фото­катоды на GaInAs и InAsР (табл.1).

Рис 5. Схема динода специаль­ной конструкции:

1-падающий свет; 2 - фотокатод; 3-выход анода

Таблица 1

Характеристики фотокатодов с высокой квантовой эффективностью

Материал катода	Квантовая эффективность. %			Плотность темнового тока, а/см2
	0,63мкм	0,87мкм	1,06мкм
Ag20/Cs Na2 KSb/Cs	0,3 6	0,7 0,2	0,07	10-12 10 –15
GaAs /Cs2 0	25	18	-	10 –14
GaInAs 0,13Р 0, 87/Cs2 0 Ga 1-хIn хAs/Cs2О (при х =0,14-0,31)	16 12	9 8	3 2

В настоящее время для изготовления фото-катодов применяется более 40 различных материалов . Большинство катодов разрабатывается для спектрального диапазона 0,3-0,8 мкм. Фото-катоды на основе CsTe расширяют рабочий диапазон ФЭУ в сторону коротких волн (0,125-0,35 мкм}, а на основе соединений A¹¹¹ B^V - в сторону ближнего ИК (до 1,1 мкм}. Если для детектирования излучения в области 0,2-1,1 мкм фото-катоды в ряде случаев успешно заменяются кремниевыми фотодиодами, то для области < 0,2 мкм у ФЭУ прак­тически нет конкурентов.

Специальные конструкции ФЭУ, в которых используются электри­ческие и магнитные поля для фокусировки электронов и высокие ускоряющие напряжения, охватывают частотный диапазон 200-300Мгц (для кремниевых фотодиодов предельная частота - 150 Мгц} для ука­занного спектрального диапазона ФЭУ являются самыми чувствитель­ными детекторами, поскольку позволяют обнаруживать даже одиноч­ные фотоны.

Существенными недостатками ФЭУ считаются высокое напряжение питания (1-3 кв и выше) и необходимость стабилизации этого напряжения с высокой точностью, так как коэффициент усиления ФЭУ очень чувствителен даже к незначительным изменениям напряжения (1кв ± 10мв) .

Активно применяются фотоэмиссионные приборы в роли преобразователей ИК излучения в видимое. Увеличение чувствительности и раз­решающей способности таких преобразователей диктовалось требова­ниями телевизионных систем для низких уровней освещенности. Для преобразования излучения ближнего ИК диапазона (например, излуче­ния электролюминесцентного диода на арсениде галлия, легированном кремнием, с 0,93 мкм) в видимое использовали реактивно распыленные тонкие пленки CdSe и соединений редкоземельных элементов. Эффективность преобразования ИК в красный, зеленый и голубой свет составляет 1; 0,1 и 0,01% соответственно.

С высокой эффективностью преобразуют дальнее ИК излучение (28 мкм} в видимое преобразователи на тонких пленках CdS с быстродействием 10^-8- 10^-9 сек .

Детекторы на основе внутреннего фотоэфекта

Фотопроводимость и фото-ЭДС. Под действием оптического излучения полупроводников происходит изменение их электрофизических пара­метров , обусловленное образованием до­полнительных свободных носителей заряда. Процесс образования дополнительных носителей за­ряда (фотоносителей) внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фото­эффектом или фотоэлектрическим эффектом.

В фотоприемниках используются две формы внутрен­него фотоэффекта:

1. Фотогальванический эффект.

2. Эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводни­ках с внутренним потенциальным барьером (с р-п пере­ходом, с переходом металл — полупроводник, с гетеропе­реходом): внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносите­ли разных знаков — дырки и электроны — создают фото-ЭДС.

Эффект фотопроводимости (в отличие от фотогальва­нического) состоит только в создании фотоносителей; ре­зультатом изменения концентрации носителей в полупро­воднике является увеличение проводимости полупровод­ника.

Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников: фотогальванический эффект—в фото­диодах, фототранзисторах, фототиристорах и других фо­топриемниках с р-п переходами, эффект фотопроводимо­сти—в фоторезисторах.

Фоторезисторы .Фоторезисторы - детекторы, проводимость которых под действием излучения изменяется вследствие возникновения либо меж­зонных переходов (собственное возбуждение), либо переходов с при­месных уровней в запрещенной зоне (примесное возбуждение). Соответственно фоторезисторы подразделяются на собственные и примес­ные. Их важными характеристиками являются усиление и время фотоответа, которые связаны обратной зависимостью.

Для собственных фоторезисторов традиционно используются уз­козонные полупроводники группы А¹¹ В^V1 : двойные соединения CdS, CdSe (видимый диапазон), PbS (до 2,5 мкм}, тройные HgCdTe и PbSnTe (2-15 мкм), а также соединения группы А¹¹¹B^V: InSb, InAs (до 5 мкм}. Поликристаллические тонкие пленки PbS, PbSe, CdS, CdSe и PbSnTe осаждают термическим испарением или катодным распылением на подложки в виде узких прямых линий, зигза­гов или спиралей. Фирма Optoelectronics (США) выпускает серию резисторов на PbSe и PbS на спектральный диапазон 0,5-5,1 мкм с об-наружительной способностью до 1- 10¹¹ см. гц^1/2 вт^-1, работающих при температуре < 360К с быстродействием от 10 мксек до 1 мсек. Фо­торезистор на InAs фирмы Judson Res. (США) рассчитан на диапазон 1-3,2 мкм, имеет D*= 4-10¹¹ см² • гц ² • вт^-1 при быстродействии 1 мксек .

В последние 2-3 года много внимания уделяется поиску путей изготовления и изучению свойств тонких пленок соединений HgTe/CdTe и PbTe/SnTe. Варьируя соотношения Hg/Cd и Pb/Sn, можно изменять ширину запрещенной зоны этих соединений для регистрации из­лучения в диапазоне 0,8-15 мкм. Фирмы Honeywell, Bames En­gineering Corp., Eltek Corp., Raytheon (США), Mullard (Англия), Siemens (ФРГ) выпускают на основе этих соединений фоторезисторы, paботающие при 77К в спектральном диапазоне 8-14 мкм с D* =10¹⁰ см гц ^1/2 вт^-1 и быстродействием на уровне десятков наносекунд. Фирма Honeywell изготовляет детекторы на HgCdTe, спектральные характеристики которых имеют три максимума – 8, 10 и 13 мкм.

Собственные фоторезисторы с внутренним усилением до 10⁴, работающие при комнатной температуре (CdS, CdSe), наиболее широко применяются в качестве мишеней и экранов телевизионных систем при низких уровнях освещенности (< 1,0 лк) и в силовом оборудовании - устройствах управления освещенностью улиц, регуляторах силы света прожекторов, автоматических регуляторах яркости телеви­зионных экранов и т.д.

Примесные фоторезисторы с высокой чувствительностью, функцио­нирующие в температурном диапазоне 2-15К, изготавливаются ле­гированием монокристаллических кремния и германия (а в последнее время и арсенида галлия) различными примесями (табл.2 ).

Таблица 2

Энергия ионизации самых мелких примесных центров и длинноволновый край

Материал	E,, эв	, мкм	Материал	Е, эв	, мкм
Si: P	0,045	27,6	Ge:Cu	0,04	31,0
Si:As	0,0537	23,1	Ge:Ag	0,13	9,5
Si:Sb	0,043	28,8	Ge:Au	0,16	7,7
Si:Bi	0,0706	17,6	Ge:In	0,03	41
Si:В	0,04385	28,2	Ge:Cd	0,05	25
Si:Al	0,0685	18,2	Ge:Hg	0,09	13,8
Si:Ga	0,0723	17,2
Si:In	0,1554	8,0

При использовании других полупроводниковых материалов, имею­щих более мелкие примесные центры, например, арсенида галлия, длинноволновый край примесных фоторезисторов продлевается до 100 мкм. Такие фоторезисторы, работающие в диапазоне 160—390 мкм с D* = 2-10¹¹ см гц^1/2 вт^-1 ( = 282 мкм}, выпускает фирма Molectron Corp. (США).

Время фото-ответа у примесных детекторов определяется концент­рацией центров компенсирующей примеси, так что при достаточно вы­соких концентрациях можно получить быстродействие ~ 0,1 нсек. По­этому даже в диапазоне -10 мкм (где сейчас предпочтение отдается собственным фоторезисторам на соединениях HgCdTe и PbSnTe из-за более высокой рабочей температуры), когда требуется высокое быстродействие (например, для исследования лазерных систем с большими доплеровскими частотами), применяются примесные фоторезисторы.

Рис. 6. Спектральная зависимость обнаружительной способности фотодетекторов :

I - CdS (300К); 2 - CdSe (300К); 3 - PbS (196К); 4-PbS(300K); 5 - InSb (77К);

б - Ge: Au (77К); 7 -Ge: Hg (30K); 8 - Теоре­тическое значение (300К)

Существенным недостатком примесных фоторезисторов является то обстоятельство, что высокое усиление, а следовательно, и чувст­вительность, может быть достигнуто только ценой увеличения време­ни фотоответа. Так, кремниевые фоторезисторы с высокой чувстви­тельностью (~ 4х 10⁷ в/вт) имеют постоянную времени от 3 до 7 мксек. Примесные фоторезисторы широко используются в спектральном диа­пазоне 15-120 мкм (рис.6).

Фотодетекторы с обедненным слоем. К фотодетекторам с обедненным слоем относят фотодиоды с р-п переходом, с барьером Шотки и МОП структурой, лавинные диоды и фототранзисторы. Генерированные при поглощении фотонов электронно-дырочные пары эффективно разделяются высокими электрическими полями области обеднения. При детектировании слабых сигналов в УФ, видимой и ближ­ней ИК областях их использование обусловлено высоким уровнем таких их параметров, как квантовая эффективность, скорость фотоответа, воз­можность внутреннего усиления без потери быстродействия, а также хорошей отработанностью технологии (особенно кремниевых прибо­ров).

Кремний чувствителен к излучению в красном и ближнем ИК участ­ках спектра с максимумом вблизи 0,8 мкм. Однако коэффициент по­глощения излучения у кремния изменяется плавно с длиной вол­ны (рис.7). Сильно изменяющаяся глубина проникновения излучения в кремний позволяет конструировать фотодиоды таким образом, что­бы иметь оптимальные характеристики для различных комбинаций дли­на волны - скорость фотоответа. Для эффективного притока фотоносителей к р-п переходу ширина области пространственного заряда должна быть больше средней глу­бины проникновения излучения . Так, для диа­пазона от 0,45 до 0,60 мкм эффективны р-п переходы с толщиной об­ласти пространственного заряда от 1 до 3 мкм. Для более коротких длин волн (< 0,45 мкм) предпочтительна структура металл-полупро­водник, так как излучение практически поглощается у поверхности.

В длинноволновом диапазоне используют р-i -п структуру с широ­кой i-областью и конструкции с боковым освещением, позволяющие при сохранении скорости фотоответа увеличить путь, на котором может происходить поглощение фотонов. Существенным элементом фотодиодов является обедненная область с высоким электрическим полем (i-область), разделяющая фотовоз­бужденные электроно-дырочные пары. Управляя толщиной обедненной области путем соответствующего выбора удельного сопротивления кремния и рабочего напряжения диода, можно обеспечить оптималь­ные чувствительность и быстродействие.

Для повышения квантовой эффективности используют антиотражающие покрытия в виде тонких слоев двуокиси кремния или халькогенидных стекол, позволяющих собрать до 30% излучения, теряемого на границе кремний-воздух за счет отражения.

0,4 0,6 O.8 1,0 1,2 1,4 1,6

Длина волны, мкм

Рис. 7. Спектральная зависимость ко­эффициентов поглощения излучения

для различных материалов фотодетекторов

Длина вопны, мкм

Рис. 8. Спектральная зависимость квантовой эффективности кремние­вых и германиевых фотодиодов:

1 - кремниевый диод Шотки; 2 - кремниевый p—i —п диод с антиотражающим покрытием для  = 0,6328 мкм, W » 3,3 мкм;

З,4-кремниевые p-i-n диоды с широкой областью обеднения и антиотра­жающим покрытием для  = 1,06 мкм и = 0,9 мкм соответственно; 5,6 - кремниевые p-t-n диоды без антиотражаюшего покрытия; 7 - германиевый p-i- n диод с боковым освещением; 8 - германиевый п⁺ - р диод без антиотражающего покрытия.

Рис. 9. Конструкция быстродействующих фотодиодов (1 - металлический контакт;

2 - антиотражающее покрытие; 3 - отражающее покрытие; 4 - область обеднения):

a)-p-n диод, б) -p-i-n диод для =0,63 мкм; в) -p-i-n диод с боковым освещенисм;

г) - диод со структурой металл-полупроводник

Конструкции p-i-n диодов для различных спектральных диапазонов представлены на рис.9.

Для кремниевых фотодиодов минимальная обнаруживаемая мощ­ность излучения ограничивается внутренними шумами и имеет величи­ну 10^-12 - 10^-15 вт в зависимости от размера активной области, режима работы и конструкции. Верхний предел линейности выходного сигнала определяется то­ком насыщения фотодиода и составляет 10^-2 —6.10^-1 вт для различ­ных конструкций. Фотодиод с активной площадью 1 см² сохраняет линейный выходной сигнал при изменении уровня освещеннос­ти от 10 ^-12 до 10 ^-2 вт.

Температурный режим влияет на два параметра фотодиодов - чувст­вительность и темновой ток. В зависимости от детектируемой длины волны используемого материала и метода изготовления перехода фо­тоответ изменяется от 2 до 6% на 1°С. Темновой ток удваивается при повышении температуры на каждые 10°С.Планарно-диффузионная технология позволила изготовить диоды, имеющие стабильные во вре­мени параметры.

Кремниевые p-i -n фотодиоды для увеличения выходного сигнала часто комбинируются с гибридными или монолитными усилителями. По харак­теристикам такие фотодиоды сравнимы с фотоумножителями (табл.3).

Как указывалось, для длин волн < 0,6 мкм коэффициент поглоще­ния кремния увеличивается до 10⁵ см~¹ и большинство фотонов погло­щается у поверхности и в сильнолегцрованпой р -области, не дости­гая области обеднения р-п перехода. Снижение потерь носителей в об­лает контакта достигается при использовании кремниевых МОП струк­тур, имеющих спектральную чувствительность от 0,2 мкм при быстро­действии ~ 10 нсвк и максимальной чувствительности 0,2 а/вт и кремниевых диодов с барьером Шотки со спектральной чувствительностью в диапазоне 0,38-0,8 мкм.

Использование германиевых диодов позволяет расширить спект­ральный диапазон в ИК область вплоть до 1,80 мкм. Интерес к германию возрос в связи с изготовлением на его осно­ве экспериментальных фоточувствительных матриц приборов с пере­носом заряда для ближней ИК области . Германиевый фотодиод со структурой SnO₂,—nGe, работающий в спектральном диапазоне 0,5-1,8 мкм, обнаруживает излучение с минимальной мощностью 5-10^-10 вт. По сравнению с кремниевыми , германиевые диоды характеризуются более узким рабочим температурным диапазоном и меньшими рабочими напряжениями (табл.4).

Таблица 3

Сравнение характеристик кремниевых диодов

Параметры	Фотодиоды с усилителем	Фотоумножитель
Спектральный диапазон, мкм	0,2-1,1	0,2-1,0
Стабильность	Неизменна во време­ни, в диапазоне тем­ператур и уровнейосвещенности	Изменяется с време­нем, температурой и с уровнем освещен­ности
Время фотоответа, нсек	< 5 (детектор), 50-1000 (схема с усилителем)	< 5 (нарастание и задержка)
Минимальный обна- ружимый уровень излучения, вп/см1	Ю-13	Можно обнаружить одиночный фотон
Напряжение пита­ ния, в	от + 6 до ± 20	600-3000
Стоимость, долл.	30-150	15-250
Стоимость систем питания, долл.	15-35	75-200

Линейность выходного сигнала в широком диапазоне уровней ос­вещенности, высокая чувствительность, стабильность характеристик (в температурном диапазоне, во времени и при изменении уровня ос­вещенности) и возможность использования при комнатной температуре обусловливают предпочтительное применение кремниевых и герма­ниевых фотодиодов.

Возросшие требования к детекторам, предназначенным для обна­ружения излучения лазеров на СО, (10,6 мкм} и ЖИГ : Но (2,06 мкм}, привели к интенсивным разработкам фотодиодов на соединениях груп­пы А¹¹¹В^V (GaAs, GaAlAs, InAsP, InAs, InSb, GaSbAs) для диапазона 1,0-15 мкм, функционирующих при температурах 77-200К. Эти при­боры быстро вытесняют кремниевые и германиевые резисторы, тре­бующие более глубокого охлаждения (4-15°К). Фирма Rockwell (США) разработала высокочувствительный фотодиод на гетеропереходах со­единений A^IПB^V для использования в сочетании с лазером наАИГ :Nd (А = 1,06 мкм) в системах воздушной разведки. Гетероструктура n⁺GaAs_1-x Sb_x-p⁺GaAs_1-y Sb_y – р⁺ GaAs характеризовалась минимальной обнаружимой мощностью излучения ~ 10^-9вт при ширине по­лосы - 3,5 Мгц.

Таблица 4

продолжение табл.4

Разработки МОП структур на InSb, InAs, PbS подтвер­ждают возможность создания монолитных матриц ИК устройств вос­произведения изображения Эти приборы имеют рабочую температу­ру 77К и максимальную чувствительность при 3,5 мкм.

Особый интерес представляют ИК детекторы на основе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe, в которых ширина запрещенной зоны сильно зависит от состава. Изменяя состав, можно получить со­единение PbSnTе, чувствительное в диапазоне 4—30 мкм, и HgCd Те - в диапазоне 0,8-30 мкм. В этих соединениях р-п переходы формируют введением примеси сурьмы путем диффузии или ионной имплантации, изменением стехиометрии состава термообра­боткой или протонной бомбардировкой.

Методом бомбардировки изготавливались диоды с малыми токами утечки и хорошей воспроизводимостью параметров на InSb , HgCdTe , РЬТе и PbSnTe. В случае HgCdTe процесс протонной бомбардировки можно выполнять при температуре подложки ~ 60° С, что позволяет избежать испарения ртути из поверх­ностного слоя, происходящего при температурах выше 100°С.

Характеристики диодов на HgCdTe, полученных методом протон­ной бомбардировки, представлены в табл. 5

Таблица 5

Параметры фотовольтаических диодов на Hg _х Cd_1-х Те,

полученных протонной бомбардировкой

В табл.6 приведены характеристики детекторов на РbТе и РbSnТе, работающих при прямом смещении (фотовольтаический режим) и изготовленных различными методами.

Большие мозаичные структуры относительно легко реализуются на монокристаллических пленках PbSnTe, выращенных вакуумным осаж­дением через маску на подложках из прозрачного монокристалла BaF.

Обычно фотодиоды на соединениях HgCdTe и PbSnTe работают при температуре жидкого азота. Для случаев, когда в целях уменьшения размера и веса аппаратуры требуются детекторы с высокими чувст­вительностью и быстродействием, функционирующие при небольшом охлаждении или без охлаждения, перспективен детектор на Hg_1-х Cd_х Te (х =0,17), имеющий при комнатной температуре хорошую чувствитель­ность к излучению вблизи 5 мкм. Для более длинноволновой области (8-13 мкм} при комнатной температуре приемлема гетероструктура PbSnTe –РЬТе.

Таблица 6

В лавинном фотодиоде предусматривается детектирование оптиче­ского сигнала и внутреннее усиление фототока за счет умножения но­сителей заряда в предпробойной области напряжений, причем большое усиление может быть достигнуто даже в СВЧ диапазоне. Верхний предел усиления фототока ограничен локальными точками пробоя, связанными с неоднородностями различного характера в области ум­ножения. Во избежание микроплазменного пробоя в конструкцию лавинного фотодиода вводят диффузионные охранные кольца по периметру пе­рехода (рис.10 ), уменьшают площадь р-п перехода до 10^-8 см², используют бездефектный исходный материал и поддерживают высокий уровень чистоты на технологических операциях. Все это повышает стоимость прибора, так что в среднем лавинный фотодиод стоит в 100 раз дороже p-i -n диода.

Рис. 10. Конструкции лавинных фотодиодов:

а) - кремниевая структура с охранным кольцом; б) - германиевая меза-структура с охранным кольцом; в) - планарная структура с охранным кольцом; i) - кремниевая п -р- -р ⁺ структура; д) — кремниевая p-i-n меза структура с широкой обедненной областью; е) - кремниевая p⁺-n -n ⁺ структура с боковым освещением

В предпробойной области коэффициент усиления сильно зависит от напряжения, поэтому для стабилизации последнего вводятся схемы температурной компенсации.

Статистический характер процесса умножения обусловливает по­вышенный шум даже при однородной лавинной области. Это особенно существенно для германиевых диодов, где шум пропорционален умно­жению, независимо от длины волны и возбуждаемых носителей. Для улучшения шумовых характеристик лавинные фотодиоды охлаждают.

Внутреннее усиление при сохранении высокого быстродействия (~ 1 нсек) делает лавинные фотодиоды чрезвычайно перспективными для обнаружения сигналов слабой интенсивности, однако при условии снижения их стоимости и повышения процента выхода годных.

Ведутся интенсивные поиски новых конструктивных решений. Пред­полагается, что наибольший интерес представляют МОП структуры, по­зволяющие получить однородную область умножения на большой пло­щади. У структуры Al-SiO₂,-Si с областью лавинного умножения и с активной площадью до 5 см², при детектировании излучения с 0,9 мкм чувствительность составила 15 а/вт, быстродействие -7 • 10^-10сек, усиление 20-30. В структуре с барьером Шотки на InGaAs для 1,06 мкм получено усиление -250 при времени нарастания фототока ~200 псек .Характеристики некоторых лавинных фотодиодов представлены в табл.7.

В некоторых случаях, например, для управления логическими ИС, когда выходной сигнал фотодиода оказывается слишком малым и приходится вводить дополнительный усилитель, вместо фотодиода с внешним усилителем можно использовать фототранзистор, совмещаю­щий функции детектора и усилителя. При слабой освещенности, вслед­ствие нелинейности усиления, фотодиод и фототранзистор сравнимы по величине выходного сигнала. Комбинация кремниевого фототранзистора с усилителем Дарлингтона позволяет поднять чувствитель­ность и мощность выходного сигнала в 10 раз, однако время нараста­ния фотоответа увеличивается до 100 мксек и более.

Таблица 7

Таблица 8

Многие фирмы организуют или увеличивают выпуск оптических де­текторов, что обусловлено постоянным расширением их применения в промышленности, медицине, военной технике и т.д. Сравнительные характеристики типичных детекторов представлены в табл.8.

Таблица 9

К настоящему времени серийный выпуск детекторов осуществляется более чем 50 фирмами США. Некоторые характеристики серийных детекто­ров приведены в табл.9 и 10

Таблица 10