книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
10.2.Фотоприемники с внутренним фотоэффектом
Вфотоприемниках с внутренним фотоэффектом воздействие падающих квантов излучения на поверхность полупроводника приводит к перемещению электронов из валентной зоны в зону проводимости с образованием свободных носителей зарядов – электронов и дырок.
Образовавшиеся носители заряда изменяют электропроводность полупроводника (явление фотопроводимости).
Фотоприемники с внутренним фотоэффектом в соответствии с ГОСТ 21934–83 подразделяются на следующие виды:
Вид полупроводникового |
|
Принцип работы |
приемника излучения |
|
|
|
|
|
Многоспектральный фото- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
|
||
электрический полупровод- |
|
ник излучения, содержащий два и более фото- |
никовый приемник излучения |
|
чувствительных элементов с различными диа- |
|
|
пазонами спектральной чувствительности |
Одноэлементный фотоэлектри- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
ческий полупроводниковый |
|
ник излучения, содержащий один фоточувстви- |
приемник излучения |
|
тельный элемент |
Многоэлементный фотоэлект- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
рический полупроводниковый |
|
ник излучения с числом фоточувствительных |
приемник излучения |
|
элементов больше одного |
Координатный фотоэлектри- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
ческий полупроводниковый |
|
ник излучения, по выходу сигнала которого |
приемник излучения |
|
определяют координаты светового пятна на |
|
|
фоточувствительной поверхности |
Гетеродинный фотоэлектри- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
ческий полупроводниковый |
|
ник излучения, предназначенный для гетеродин- |
приемник излучения |
|
ного приема излучения |
|
|
|
Иммерсионный фотоэлектри- |
|
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
|
||
ческий полупроводниковый |
|
ник излучения, содержащий иммерсионный |
приемник излучения |
|
сигнал |
|
|
|
121
Вид полупроводникового |
Принцип работы |
|
приемника излучения |
||
|
||
Фоторезистор |
Фотоэлектрический полупроводниковый прием- |
|
|
ник излучения, принцип действия которого |
|
|
основан на эффекте фотопроводимости |
|
|
|
|
Фотодиод |
Полупроводниковый диод с p–n переходом |
|
|
между двумя типами полупроводника или |
|
|
между полупроводником и металлом, в котором |
|
|
поглощение излучения, происходящее в |
|
|
непосредственной близости перехода, вызывает |
|
|
фотогальванический эффект |
|
p–i–n-фотодиод |
Фотодиод, дырочная и электронная области |
|
|
которого разделены слоем материала с проводи- |
|
|
мостью, близкой к собственной |
|
|
|
|
Фотодиод с барьером Шоттки |
Фотодиод, запирающий слой которого образован |
|
|
контактом полупроводника с металлом |
|
|
|
|
Фотодиод с гетеропереходом |
Фотодиод, электронно-дырочный переход |
|
|
которого образован двумя полупроводниковыми |
|
|
материалами с разной шириной запрещенной |
|
|
зоны |
|
Лавинный фотодиод |
Фотодиод с внутренним усилением, принцип |
|
|
действия которого основан на явлении ударной |
|
|
ионизации атомов фотоносителями в сильном |
|
|
электрическом поле |
|
Инжекционный фотодиод |
Фотодиод, работающий в режиме внутреннего |
|
|
усиления фотосигнала за счет инжекции свобод- |
|
|
ных носителей заряда |
|
Фототранзистор |
Транзистор, в котором используется фотоэлек- |
|
|
трический эффект |
|
|
|
|
Полевой фототранзистор |
Фототранзистор, фоточувствительный элемент |
|
|
которого содержит структуру полевого тран- |
|
|
зистора |
|
Биполярный фототранзистор |
Фототранзистор, фоточувствительный элемент |
|
|
которого содержит структуру биполярного |
|
|
транзистора |
122
Спектральный диапазон полупроводниковых приемников излучения определяется шириной запрещенной зоны Eg.
Свойства |
|
|
|
Материал |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
материала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Si |
SiC |
Ge |
GaP |
GaAs |
InAs |
InSb |
CdHgTe |
||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Eg, эВ |
1,12 |
3,0 |
0,66 |
2,26 |
1,42 |
0,36 |
0,17 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λгр, мкм |
1,09 |
0,54 |
1,85 |
0,54 |
0,86 |
3,4 |
7,2 |
12,2 |
|
10.2.1. Фоторезистор
Принцип действия фоторезисторов основан на явлении фотопроводимости – изменении сопротивления полупроводника под действием потока излучения.
Фоторезисторы неполярны, одинаково проводят ток в любом направлении, что позволяет использовать их в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Спектральная чувствительность фоторезисторов в зависимости от применяемого материала чувствительного слоя лежит в очень широких пределах от 0,3 до 40 мкм.
123
Относительные спектральные характеристики чувствительности некоторых фоторезисторов
1 – напыленный CdS (295 К); 2 – ФСК-М1 (CdS при 295 К); 3 – ФСД (CdSe при
295 К); 4 – монокристалл р-типа из Ge:Au при 77 К; 5 – ФСА (PbS при 295 К); 6 – PbSe (295 К); 7 – монокристалл InAs n-типа при 295 К; 8 – монокристалл InSb
при 295 К; 9 – Ge:Hg (30 К); 10 – Ge:Zn:Sb (5,3 К); 11 – Ge:Cd (4,2 К); 12 – Ge:Cu (4,2 К); 13 – Ge:Zn (4,2 К).
При охлаждении фоторезисторов их абсолютная спектральная чувствительность значительно возрастает.
Вольтамперные характеристики фоторезисторов I(U) при Ф = const линейны в широких пределах.
10.2.2. Фотодиод
Фотодиод – полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании односторонней проводимости р–n-перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогальванический режим) или изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим).
124
Чаще всего фотодиоды изготавливают на монокристаллах кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия.
В фотогальваническом (фотодиодном)
режиме источник питания смещает фотодиод в обратном направлении.
В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку.
Фототок практически не зависит от приложенного обратного напряжения (вплоть до пробоя).
Фоточувствительной является n-область – она легирована слабо и имеет большое время жизни неравновесных носителей заряда (дырок).
Обратное внешнее напряжение не изменяет потенциальный барьер p–n-перехода, а потому фототок Iф пропорционален интенсивности светового потока Ф.
При работе фотодиода в фотовольтаическом (вентильном) режиме источник внешнего напряжения отсутствует.
В этом случае фотодиод сам вырабатывает разность потен-
циалов – фотоЭДС.
Воздействие потока света на область p–n-перехода приводит к генерации носителей заряда (электронов и дырок), которые проходят через p–n-переход и формируют разность потенциалов на выводах фотодиода.
В вентильном режиме по мере увеличения светового потока уменьшается высота потенциального барьера (вплоть до нуля при большой интенсивности света) и фотоЭДС достигает насыщения.
Применение p–n-фотодиодов в волоконно-оптических технологиях ограничивается двумя основными недостатками:
125
1.Обедненная зона составляет малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре.
2.Медленный отклик, обусловленный диффузией носителей зарядов, замедляет работу диода, делая его непригодным для работы в высокочастотных устройствах.
Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля.
Это значительно ограничивает частотный диапазон работы p–n-фотодиодов (до нескольких кГц).
10.2.3.p–i–n-фотодиоды
Вp–i–n-фотодиодах между слоями с разной проводимостью (p и n) вводится слой с собственной проводимостью (i-область).
При подаче обратного напряжения смещения i-область обедняется свободными носителями заряда, и в ней возникает достаточно сильное электрическое поле.
Так как р+-слой очень тонкий (~ 0,5 мкм), кванты света будут проникать в i-область и образовывать носители заряда.
|
|
|
1, 2 – верхний и нижний металли- |
|
|
|
|
||
|
Эти носители заряда ускоряются в |
|
ческие контакты, 3 – р+-слой, 4 – |
|
|
|
|||
|
электрическом поле, что обеспечивает |
|
слой с |
собственной проводи- |
|
p–i–n-фотодиодам хорошее быстродействие |
|
мостью, |
5 – n--слой, 6 – контактный |
|
и высокую чувствительность. |
|
n--слой с высокой проводимостью |
|
|
|
|
|
|
Повышение быстродействия в p–i–n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле.
p–i–n-фотодиоды обладают низкой зарядовой емкостью, что позволяет им работать в широком диапазоне частот (до 1–2 ГГц) при низком напряжении смещения (менее 5 В).
Эти преимущества делают p–i–n-фото- диоды идеальными детекторами для применения в высокоскоростной фотометрии и оптических линиях связи.
126
10.2.4.Лавинные фотодиоды
Влавинном фотодиоде посредством управляемого лавинного умножения числа носителей заряда достигается усиление первичного фототока.
Лавинное умножение происходит при увеличении напряжения смещения до величины, близкой к напряжению пробоя.
Большое обратное электрическое смещение p–n-перехода ускоряет электрическим полем образовавшиеся при облучении носители заряда, которые сталкиваются с кристаллической решеткой в области p–n-перехода и образуют дополнительные электроннодырочные пары.
Значение коэффициентов внутреннего усиления лавинных фотодиодов может достигать ~100 в зависимости от типа.
Требование высоких обратных напряжений и прецизионной установки напряжения питания усложняет их эксплуатацию лавинных фотодиодов.
Сочетание преимуществ лавинного и p–i–n-диода позволяет упростить конструкцию фотоприемник и понизить требования к источнику питания.
127
Главное достоинство лавинных фотодиодов заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии.
Это позволяет использовать лавинные фотодиоды на GaAs-основе на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.
По сравнению с фотоэлектронными умножителями лавинные фотодиоды имеют лучшее отношение сигнал/шум.
В качестве основных недостатков лавинных фотодиодов можно выделить высокое напряжение смещения (до 400 В) и сложность схемы управления регулируемым источником тока.
10.2.5. Фототранзистор
Фототранзистор совмещает в себе свойства фотодиода и усилительного триода. 
Фототранзисторы обладают большей чувствительностью и создают больший ток по сравнению с фотодиодами.
В качестве фотоприемника возможно использование биполярных транзисторов как p–n–p-типа, так и n–p–n-типа.
При подключении фототранзистора вывод базы обычно остается отключенным, так как свет генерирует электрический сигнал, позволяющий току протекать через фототранзистор.
В таком состоянии коллекторный переход фототранзистора смещен в обратном, а эмиттерный переход – в прямом направлении.
128
Фототранзистор остается неактивным до тех пор, пока свет не попадает на базу.
Свет активирует фототранзистор, образуя в базе носители заряда, в результате чего через коллектор – эмиттер протекает электрический ток.
Большинство фототранзисторов изготавливают на основе полупроводниковых монокристаллов кремния, германия, арсенида галлия.
Основным преимуществом фототранзисторов является высокая чувствительность.
У фототранзисторов, изготовленных по диффузионной планарной технологии, она достигает порядка 10 А/лм.
В качестве недостатков фототранзисторов можно выделить следующие: 
Невысокие частотные характеристики (рабочая частота не более 200 МГц).
Нестабильность параметров при изменении температуры.
Неравномерность чувствительности по полю фоточувствительной площадки.
129
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. – М.: Радио и связь, 1981. – 440 с.
2.Рябцев Н.Г. Материалы квантовой электроники. – М.: Советское радио, 1972. – 384 с.
3.Качмарек Ф. Введение в физику лазеров / пер. с пол. В.Д. Новикова; под ред. и с предисл. М.Ф. Бухенского. – М.: Мир, 1980. – 540 с.
4.Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. – Л.: Машиностроение; Ленингр. отд-ние, 1986. – 175 с.
5.Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: справочник. – М.: Радио и связь, 1987. – 296 с.
130