Фотодиоды с гетероструктурой

Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходной слой, образованный полупроводниковыми материалами с разной шириной запретной зоны.

Устройство и принцип действия этих приборов рассмотрим на примере гетероструктуры GaAs-GaAlAs (в соответствии с рис. 5.12).

На подложке арсенида галлия n⁺ типа (N_д» 10^-18 см^-3) методом жидкофазной эпитаксии последовательно наращивают сна­чала слой чистого нелегированного арсенида галлия n типа (N_д» 10¹⁵см^-3), а затем слой р⁺ типа твердого раствора Ga_1-xAl_xAs (N_д » 10^-18см^--3) обеспечение в растворе зна­чения Х = 0,4 приводит к различию ширин запрещенной зоны по разные стороны гетероперехода » 0,4 эВ.

Слой GaAlAs играет роль широкозонного окна, пропус­кающего излучение, поглощаемое в средней n области. Структу­ра зонной диаграммы (рис. 5.12, б) обеспечивает беспрепятственный перенос генерируемых в n области дырок в р область.

Толщина средней области выбирается так, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. При l»0,85 мкм достаточно иметь h»20 мкм. Высокая степень чистоты этой области обеспе­чивает малые рекомбинационные потери генерирумых светом но­сителей. Фоточувствительность гетерофотодиодов определяется эффективным временем жизни носителей в среднем слое, а время переключения – толщиной этого слоя и напряженностью электри­ческого поля. Применение совершенных гетероструктур (с низкой плотностью поверхностных состояний) открывает возможности создания фотодиодов с КПД, близким к 100% Сочетание малого времени рассасывания неравновесных носителей заряда и малого значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродейст­вие гетерофотодиодов. Такие приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары полупроводнико­вых материалов можно получать фотодиоды, работающие в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обус­ловлено тем, что в гетерофотодиоде рабочая длина волны опре­деляется разницей ширин запрещенных зон и не связана со спект­ральной характеристикой глубины поглощения.

Рис. 5.12. Фотодиод с гетероструктурой:

а) структура; б) энергетическая диаграмма

Вследствие хоро­ших возможностей выбора материала базы достигаемое значение фотоЭДС у гетерофотодиодов составляет (0,8÷1,1) В, что в (2÷3) раза выше, чем у кремниевых фотодиодов. Основным недостат­ком гетерофотодиодов является присущая гетероструктурам слож­ность изготовления.

Лавинные фотодиоды

Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то начинается лавинообраз­ный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т. е. имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения

K_i = I_ф / I_ф0, (5.31)

где I_ф – ток на выходе фотодиода с учетом размножения;

I_ф0 – ток при отсутствии размножения.

Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления, фототока.

Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе

K_i = 1 / [1 — (U / U_проб)^m], (5.32)

где U_проб – пробивное напряжение;

U – напряжение на р – n переходе;

m – коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m=1,5¸2 для кремния р – типа; m= 3,4¸4 для кремния n – типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

I_ф = I_ф0 / [1 — (U / U_проб)^m]. (5.33)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов характеризуется временем переключения (10^-8...10^-9) с, а произведение коэффициента усиления фототока K_i на полосу частот достигает рекордных значений: K_if_гр » 10¹¹ Гц. Предельно реализуемое значение K_i, может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигну­то. K_i »10³...10⁴, а для германия его величина обычно не более 10². У кремниевых и арсенидгаллиевых приборов ниже уро­вень шумов.

Рис. 5.13. Лавинный фотодиод:

а) структура; б) распределение поля в структуре.

В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все диодные структуры: р⁺ – n, р – i – n, n – р – i – р⁺ , барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это связано с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока K_i резко зависит от напряжения. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов. Высокие рабочие напряжения, низкий КПД преобразования затрудняют их использование в микросхемах.

Основные данные ЛФД приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Параметры лавинных фотодиодов

Фототранзисторы

Фотоприемные приборы, использующие транзисторные структуры с возможностью усиления фототока, называются фототранзисторами. Эти приборы содержат один (в соответствии с рис. 5.14 и 5.16) или несколько транзисторов (в соответствии с рис. 5.17) включенных обычно по схеме с общим эмиттером.

Рис. 5.14. Фототранзистор

В простейшем фототранзисторе (рис. 5.14) оптическое излучение попадает в рабочую область структуры – базу. Здесь обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются р-n – переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением концентрации за счет механизма электрического усиления.

Дырки уходят через переход в р-область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объемным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счет тока базы (I_б=0). Поэтому поле объемных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы. Входные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора, т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор дает усиление тока, а интегральная чувствительность фототранзистора

S_ф=S_ФДb, (5.34)

где S_ФД – токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора;

b – коэффициент усиления тока транзистора.

Выходные характеристики фототранзистора приведены на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Семейство ВАХ фототранзистора

Их особенностью является отсутствие четко выраженного участка насыщения коллекторного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе. Это объясняется нелинейностью люкс-амперной характеристики: фототок нарастает быстрее пари больших освещениях, чем малых.

Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счет снижения температурной стабильности прибора.

У фототранзисторов снижается так же пороговая чувствительность так, как значительно возрастает темновой ток.

I_T=I_KO(1+b), (5.35)

где I_KO – тепловой ток транзистора.

Широкое применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и малое время переключения требует уменьшение толщины базовой области h_б, а это приводит к снижению фоточувствительности. Необходимость компромисса между указанными параметрами определяет относительно низкое быстродействие фототранзисторов (10^-6-10^-5) с.

Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприемниках с внутренним усилением, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора. Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высококачественный транзистор в единой структуре (в соответствии с рис. 5.16). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением тока.

Рис. 5.16. Диодно-транзисторный фотоприемник

Еще больше увеличить чувствительность позволяет применение фототранзистора (в соответствии с рис. 5.16). Связь между токами в составном транзисторе имеет вид

I_K=I_K1+I_K2=b₁I_б1+b₂I_б2=b₁I_б1+b₂(1+b) I_б1. (5.36)

Коэффициент усиления b составного транзистора равен

b=I_K1/ I_б1=b₁+b₂+b₁b₂»b₁b₂. (5.37)

В результате чувствительность составных фототранзисторов более чем в 10³ раз превышает чувствительность фотодиодов.

Рис. 5.17. Составной фототранзистор

Фотоприемные приборы, рассмотренные в пунктах 5.3 – 5.8 широко используются при разработках волоконно-оптических систем передачи. Чувствительность оптических приемников в зависимости от скорости передачи информации иллюстрирует рис. 5.18.

Рис. 5.18. Чувствительность оптических приемников

в зависимости от скорости передачи информации

Фототиристоры

Фотоприемный прибор, имеющий три или более p-n – перехода, в ВАХ которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления, называется фототиристором.

На рис. 5.19 изображена структура фототиристора с тремя p-n – переходами. Крайние области такой структуры р и n называются эмиттерами, а примыкающие к ним переходы – эмиттерными, центральный переход называют коллекторным. Между переходами находятся базовые области (р и n). Электрод, обеспечивающий контакт с n-эмиттером, называют катодом, а с р – эмиттером – анодом.

Рассмотрим работу фототиристора, когда в структуре приложено прямое напряжение (в соответствии с рис. 5.19). В статическом режиме по закону непрерывности тока можно записать для тока через коллекторный переход П₂

I_П2 = ( I_Ко + I_Ф2 ) + ( I + I_Ф1 )a₁ + (I + I_Ф3 ) a₂. (5.38)

Рис. 5.19. Структура фототиристора

Из этого выражения получим

I(1 - a₁ - a₂) = I_Ко+ I_Ф1a₁+ I_Ф2+ I_Ф3a₂, (5.39)

где I_Ф1, I_Ф2, I_Ф2 – фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим р-n - переходом генерированных излучением носителей;

a₁, a₂ – коэффициенты передачи по току транзисторных структур р₁ n₁ р₂ и n₂ р₂ n₁.

При отсутствии освещения, т.е. при I_Ф1=I_Ф2=I_Ф2=0 получим выражение для ВАХ тиристора в случае двухэлектродного (динисторного) включения, которое определяет темновую характеристику фототиристора. При освещении ток I, протекающий через структуру, определяется совместным действием фототоков I_Ф через переходы и собственным током коллекторного перехода I_Ко. Можно утверждать, что величина I_Ф1a₁+ I_Ф2+ I_Ф3a₂, которая изменяется с изменением уровня освещенности, играет роль тока управления в обычном тиристоре, т.е. при воздействии потока излучения изменяется напряжение включения фототиристора.

На рис. 5.20 приведено семейство ВАХ фототиристора, освещаемого монохроматическим светом с различной мощностью излучения.

Рис. 5.20. Семейство ВАХ фототиристора

Фототиристоры являются перспективными приборами для переключения больших мощностей.

Фоторезисторы

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом их является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом. В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Соответственно полупроводник будет обладать начальной проводимостью , которая носит название темновой:

, (5.40)

где e – заряд электрона;

μ_n –подвижность электронов

μ_p- подвижность дырок

– концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации. Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости.

Когда электроны из валентной зоны переводятся на примесные уровни, происходит увеличение лишь дырочной электропроводности. И наконец, увеличение электропроводности наблюдается, когда электроны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается тем или иным путем на величину Dn и Dr и проводимость его резко возрастает

. (5.41)

Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фотопроводимость

. (5.42)

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего, а нарастает со временем по экспоненциальному закону

Δn(t)=α·η·τ·N·(1 – e^-t/τ), (5.43)

где N – число фотонов, падающих в секунду на единицу площади;

a – коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником;

η – квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;

t – время жизни неравновесных носителей заряда.

Если время облучения достаточно велико: t ³ (3¸5)∙t, то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причем, когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником), то число неравновесных дырок будет равно числу неравновесных электронов

. (5.44)

При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного знака, будет иметь место или электронная, или дырочная фотопроводимость, причем в переходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону.

. (5.45)

Явление постепенного изменения s_Ф при включении и выключении облучающего потока называют релаксацией фотопроводимости.

Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная (рис. 5.21, а) и продольная (рис. 5.21, б).

Рис. 5.21. Поперечная (а) и продольная (б) конструкция фоторезисторов; вольт-амперные (в), энергетические (г), относительные спектральные (д)

характеристики

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действует во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором – в одной плоскости. Очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен мегагерц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную геометрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах уже в сотни-тысячи герц.

В качестве исходного материала фоторезисторов чаще всего используют сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д. Условное обозначение фоторезистора приведено на рис. 5.22, г.