2.5.4.3. Быстродействующие фоторезисторы

В широко распространенных в оптоэлектронике дискретных фоторезисторах, имеющих ЧЭ в виде объемного монокристалла или тонкой пленки длиной порядка 1 мм, достижение большого коэффициента усиления фототока и, следовательно, высокой чувствительности возможно только при реализации достаточно большого времени жизни фотоносителей - не менее с. Например, в беспримесных германии и кремнии, имеющих времена жизни порядка 1 мс при напряжениях около 10 В, могут быть получены коэффициенты усиления фототока приблизительно 3000…3500; при таком же напряжении в фоторезисторе из собственного GaAs, характеризующегося временем жизни приблизительно 1…10 нс и предельной подвижностью на уровне см²/(В с), коэффициент усиления может составить не более 0,1. Поэтому создание высокочувствительных быстродействующих фоторезистивных приемных элементов, удовлетворяющих высоким требованиям к их энергетическим, временным и конструктивным характеристикам в быстродействующих волоконно-оптических и интегрально-оптических устройствах, возможно лишь при использовании ЧЭ с предельно малой длиной, изготовленных из полупроводников с малым временем жизни и высокой подвижностью фотоносителей.

Самой простой моделью быстродействующего фоторезистора является продольная планарная структура в виде узкого промежутка или зазора в объеме здесь (рис. 2.ХХ, а) либо на поверхности (рис. 2.ХХ, б) полупроводника, через который фототок протекает в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения. Структура в виде плоскопараллельного зазора используется для реализации фотопроводящих элементов дискретного и интегрального исполнения на основе высокоомных слоев полупроводников с высокой подвижностью электронов: GaAs, InSb, InAs, GaInAs и др. В таких фоторезисторах электроны преодолевают расстояние между электродами со средней скоростью см/с за время , чему соответствует усиление фототока . Например, GaAs-фоторезистор, имеющий с, длину чувствительного элемента мкм, при напряжении В будет характеризоваться коэффициентом усиления и при внешней квантовой эффективности на длине волны мкм в отсутствие потерь носителей из-за поверхностной рекомбинации в соответствии с (2.66) должен иметь монохроматическую токовую чувствительность к немодулированному потоку излучения А/Вт.

2.5.5. Фотогальванические приемники излучения

Фотогальванический эффект состоит в генерации фотоЭДС в облученном неоднородном полупроводнике вследствие пространственного разделения пар фотоносителей – возбужденных электронов и дырок. Причинами разделения фотоносителей могут быть разные неоднородности полупроводника: различия скоростей диффузии фотоэлектронов и фотодырок (фотодиффузионный эффект), неодинаковые скорости рекомбинации фотоносителей и др. [2.38] Однако в большинстве применяемых в современной оптоэлектронике фотогальванических приемниках излучения используется фотоэффект в электрических переходах или контактах: p-n ­ и p-i-n ­ переходах, контактах металл ­ полупроводник, МДП ­ структурах и др.

Двухэлектродные фотогальванические приемники, содержащие один рабочий переход (кроме двух омических контактов) и работающие без приложения к переходу внешней разности потенциалов, называются обычно фотоэлементами (ФЭ); в фотоэлементах носители разделяются только контактным полем перехода; Эти фотоприемники широко применяются для таких измерений энергии и мощности излучения, при которых не требуется большого быстродействия, но важным достоинством может быть, например, автономность их работы. Особый вид твердотельных ФЭ представляют собой элементы для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, т.е. приборы солнечной фотоэнергетики. Это направление оптической электроники в настоящее время быстро приобретает характер наиболее перспективной ветви будущей энергетики

Фотоприемники, действующие при обратном смещении перехода, называют фотодиодами (ФД); в них фотоносители разделяются результирующим действием электрических полей самого перехода и внешнего источника напряжения. Эти приемники могут существенно различаться как конструкцией переходов (толщиной, площадью, глубиной расположения под поверхностью, материалами), так и основными параметрами: чувствительностью, быстродействием, уровнем собственных шумов.