Принцип работы фотоприемных приборов

Работа фотоприемников основана на использовании внутренне­го фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носители заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип фотоприемника имеет определенную длинно­волновую границу l_гр определяемую формулой

l = 1,24 / (E₂ – E₁), (5.1)

где l [мкм]; E₂ ,E₁ [эВ].

Разность E₂ – E₁ – энергетический зазор при переходе зона-зона или примесный уровень-зона (в соответствии с рис. 5.1, а).

Рис. 5.1. Принцип действия фотоприемного прибора: а) энергетическая диаграмма; б) процессы в p-n - переходе; в) распределение электрического поля в структуре.

Рассмотрим принцип действия фотоприемного прибора на осно­ве p-n - перехода (в соответствии с рис. 6.1, б). При поглощении фотона в полупровод­нике образуются пары электрон-дырка. При их разделении возника­ет фототок, причем электроны перемещаются в n-области, а дыр­ки – к p-области.

Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае, если эта пара, образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием электрического по­ля. Альтернативой разделения является обычная рекомбинация па­ры электрон-дырка, при которой не происходит какого-либо смеще­ния заряда и, таким образом, не вносится вклад в фототок. Элект­рическое поле распределяется в кристалле полупроводникового прибора неравномерно. В диффузионных областях p-типа и n-ти­па поле намного слабее, чем в области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для эффективной работы фотопри­емника необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в обедненном слое, т.е. фотоны не должны поглощаться; пока не дос­тигнут обедненного слоя, и не должны поглощаться, пока не вышли за пределы обедненного слоя.

Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины волны. Фотоны с малой длиной волны погло­щаются вблизи поверхности, а фотоны с большей длиной волны мо­гут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспече­ния широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень тонкий p-слой, допускающий проник­новение фотонов с малой длиной волны, и толстый обедненный слой для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.

Толщина обедненной области зависит от удельного сопротив­ления полупроводника в этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, когда обратное сме­щение не приложено. Это обусловлено наличием «встроенного» поля, которое образуется вследствие диффузии через переход неосновных носителей. Напряжение обратного смещения расширяет обедненную область.

Размеры обедненного слоя при любом напряжении больше в тех приборах, у которых вблизи p-n - перехода материал имеет бо­лее высокое удельное сопротивление. В то же время на обеих противоположных поверхностях кристалла для изготовления омических контактов требуется низкое удельное сопротивление. Фотоприемники с p-n - переходом, например, солнечные батареи, изготавливают методом диффузии примеси р-типа в материал n-типа с низким удельным сопротивлением. Малая толщина диффузионного p-слоя обеспечивает высокую чувствительность к фотонам с малой длиной волны, но, чтобы расширить обедненную область для создания высо­кой чувствительности к фотонам с большой длиной волны, требует­ся относительно высокое обратное смещение. Глубокая диффузия примеси р-типа ухудшает чувствительность к излучению с малой длиной волны, но благодаря созданию «плавного» перехода дает возможность уменьшить напряжение смещения, необходимой для обеспечения хорошей чувствительности к излучению большой длиной волны. Для повышения чувствительности к фотонам с малой и боль­шой длинами волн при низком обратном смещении между р и n об­ластями используют слой с высоким удельным сопротивлением, по­лучивший название i-слоя. Фотоприемники имеющие i-слой по­лучили название р-i-n структур. Такой прибор имеет тонкую диф­фузионную p-область (на которую падает поток излучения) и бо­лее толстую диффузионную n-область с другой стороны высокоомной кремниевой пластины. Обычно в p-i-n фотоприемниках i-слой имеет такое высоко удельное сопротивление, что даже при нуле­вом смещении обедненный слой распространяется от p-слоя пример­но на половину глубины i-слой. При обратном смещении до 5 В обеднение распространяется вплоть до n-слоя и наблюдается эф­фект «смыкания». Поскольку пробивное напряжение превышает 200 В, часто желательно устанавливать режим работы при обратных напряжениях, превышающих напряжение смыкания, чтобы поддерживать полное обеднение i – слоя даже при высоких уровнях потока излу­чения. Это обеспечивает наилучшую линейность и быстродействие.

Качество фотоприемника может быть оценено введением пара­метра квантовая эффективность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фототока. Квантовая эффек­тивность h, таким образом, измеряется как число электронов на фотон.

На практике часто используют в качестве основного рабоче­го параметра фоточувствительность S_ф (А/Вт)

, (5.2)

где l – длина волны фотона, мкм;

I_ф – фототок, А;

Ф_е – поток излучения, Вт.