2.5. Полупроводниковые приемники излучения

2.5.1. Фоточувствительные материалы и их оптические свойства

В современной оптоэлектронике для осуществления функций генерации излучения и фоточувствительности используется большое число полупроводниковых материалов: элементарные кристаллические (поликристаллические) и аморфные полупроводники (германий, кремний, селен, теллур); бинарные соединения вида А^IIВ^VI, A^IIIB^V, A^IVB^VI; полупроводниковые твердые растворы замещения. Применение этих материалов позволяет решать широкий круг задач, связанных с генерированием, распространением и преобразованием энергии оптического излучения в фотоэнергетике, технологии, связи и обработке информации на оптических частотах.

Из-за большого числа и разнообразия фоточувствительных материалов оптоэлектроники, большая часть которых синтезируется различными технологическими методами в виде тонких пленок, нередко трудно найти в справочной литературе их достоверные оптические, электрические, теплофизические, механические и технологические свойства. В связи с особыми трудностями, возникающими у студентов с отысканием оптических свойств излучающих и фоточувствительных материалов, в приложении 2 представлены усредненные по [2.11, 2.19-2.26] данные о спектрах нормальных коэффициентов отражения от поверхности и натуральных показателей поглощения ряда наиболее употребительных полупроводниковых материалов.

2.5.2. Конструктивная схема чувствительного элемента (чэ) приемника

излучения и расчет его спектрального коэффициента поглощения

Представим чувствительный элемент полупроводникового фотоприемника (фоторезистора или фотодиода) в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами (рис. 2.Хх), приемная площадь которого равномерно облучается монохроматическим потоком излучения . Рис. 2.Хх, а изображает ЧЭ фоторезистора, рис. 2.Хх, б соответствует фотогальваническому приемнику (фотодиоду), на ЧЭ которого излучение падает параллельно плоскости p-n-перехода, а рис. 2.ХХх, в показывает ЧЭ фотодиода, облученного перпендикулярно плоскости перехода. (здесь рис. 2.Хх)

Пусть материал ЧЭ на длине волны характеризуется нормальным коэффициентом отражения от поверхности и натуральным показателем поглощения , тогда под фронтальную поверхность образца будет проникать поток , который при распространении в оптически однородном материале, будет ослабляться по закону Бугера и на глубине под поверхностью образца должен достигнуть значения

. (12.57)

В отсутствие интерференции волн с учетом многократных пробегов излучения при последовательных отражениях потока от фронтальной и тыльной поверхностей отражение, пропускание и поглощение образца будут характеризоваться результирующими коэффициентами [2.22], соответственно,

;

; (2.58)

.

Если поглощение в образце слабое, т.е. (например, вблизи длинноволнового края области фоточувствительности фоторезистора и фотодиода или в примесном фоторезисторе), то в соответствии с (2.58) результирующий коэффициент поглощения должен быть равен

, (2.59)

причем распространяющийся через ЧЭ поток излучения будет распределяться по его толщине практически равномерно (рис. 12.Хх, г кривая 2).

Если поглощение в образце сильное, т.е. (например, в коротковолновой части области чувствительности любого приемника с собственным фотоэффектом), то согласно (2.58)

, (2.60)

а распределение по объему ЧЭ проходящего через него потока излучения будет тем более неравномерным (рис. 2.Хх, г кривая 1), чем больше , или, иначе говоря, чем меньше так называемая глубина поглощения .

Так как при разность , то толщину образца

(2.61)

будем считать толщиной полного поглощения мощности монохроматического излучения , проникающей внутрь ЧЭ.

Спектры поглощения показывают, что в области фундаментального (собственного) поглощения излучения полупроводники характеризуются см^-1 и, соответственно, толщинами полного поглощения в интервале 3…0,03 мкм.

Для фоторезистора и фотодиода, чувствительные элементы которых показаны на рис. 2.Хх, а и 2. Хх, б, соответственно, на рис. 2. ХХ+1 в качестве примера изображены спектральные зависимости коэффициента отражения от поверхности ЧЭ, доля проникающего внутрь ЧЭ потока излучения и результирующего коэффициента поглощения , рассчитанного по последней формуле (2.58).(здесь рис 2.ХХ+1) Из сопоставления кривых и видно, что в области длин волн короче справедливо равенство (2.60), рассматриваемый ЧЭ в коротковолновой части области чувствительности является настолько оптически «толстым», что уровень его поглощения не зависит от толщины, а распределение поглощенной мощности по толщине ЧЭ можно характеризовать кривой 4 (рис. 2.Хх, г), которая следует из формулы (2.60) при подстановке в нее координаты от до . В области длин волн, которые превосходят , справедлива формула (2.59), а ЧЭ для излучения в длинноволновой области чувствительности представляется столь оптически «тонким», что поглощенный в нем поток излучения изменяется пропорционально его толщине и распределяется по его объему практически равномерно (см. рис. 2.Хх, г, кривая 3).