книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

150-г 200 спектрально чистых цветов, а при смешении с белым светом — еще порядка десяти оттенков каждого цвета.

Аналогичным параметром оптических приборов можно считать спектраль­ ное разрешение ДА. Из приведенных данных получим следующую оценку этой величины для глаза:

ДА = (0,76 - 0,38) мкм ~ 2 • 10 4 мкм = 2-10 - 8 СМ.

200 • 10

Человеку пришлось немало потрудиться, чтобы превзойти это достижение природы: в современных Фурье-анализаторах ДА лучше на порядок и более (~10-9 см). Вместе с тем для многих практических задач достаточно исполь­ зовать (и используют) спектральную аппаратуру с разрешением ДА не лучше, чем у глаза. И тем более человеку вполне достаточно спектрального разреше­ ния своего глаза для восприятия цветового богатства окружающего мира.

Динамический диапазон D. Ночное зрение (палочки) позволяют человеку ориентироваться в безлунную безоблачную ночь, то есть при освещенности 10-4 лк. И тем более наш глаз видит при самом ярком на Земле прямом сол­ нечном освещении, а это 105 лк. Стало быть, для динамического диапазона D получаем:

10°

D = 10- 4 - юа

Такому «миллиардному» динамическому диапазону могут позавидовать мно­ гие оптико-электронные приборы.

Инерционность. Глаз способен регистрировать ~ 20 кадров в секунду, что, кстати, и определяет телевизионный стандарт.

Таковы достижения природы. И нам остается только стремиться к повто­ рению ее достижений по чувствительности и пространственному разрешению, приближаясь к теоретическим предельным значениям этих параметров в раз­ рабатываемых фоточувствительных приборах. То же можно сказать и о форма­ те технических систем зрения, динамическом диапазоне. Выиграть у природы мы можем по спектральному диапазону и инерционности. И не потому, что природа «подкачала»: она ставила конкретную «конструкторскую» задачу — согласовать глаз по спектру с солнечным излучением (ночью человек должен спать). А максимум излучения Солнца как черного тела согласно его темпе­ ратуре (6000 К) и закону Вина как раз приходится на указанную «зеленую» длину волны 0,55 мкм (см. гл. 2). Инерционность глаза определяется биомеха­ никой — инерционностью мускульных движений человека.

Огромно разнообразие «конструкций» и параметров органов зрения живот­ ных, обусловленное особенностями среды их обитания. Это подтверждает из­ вестный тезис: природа каждый раз решает конкретную конструкторскую за­ дачу, стремится не к абстрактным рекордам, а к целесообразности.

Перед человеком-конструктором стоят задачи, которые и заставляют его качественно превзойти возможности глаза по спектральному диапазону и ин-

ерционности. Различные оптико-электронные системы должны регистрировать собственное тепловое излучение не только Солнца, но и самых разнообразных объектов: и нагретых тел (ракет при входе в атмосферу), и окружающих нас объектов с нормальной температурой, и даже холодных объектов в космосе. Но априори можно сказать, какую «территорию» могут теоретически завоевать фотоприемники: это не только 0,38-0,76 мкм, а весь оптический диапазон — от жесткого ультрафиолета 10-3 мкм (короче уже рентген) до далекого инфра­ красного ~ 100ч-1000 мкм (дальше 1000 мкм — уже радиодиапазон). При этом для ряда систем необходимо обеспечить спектральную селекцию не только в видимом, как это делает глаз, но также в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

При регистрации излучения малоразмерных объектов для их простран­ ственной селекции применяют механические модуляторы и сканеры, так что к инерционности предъявляют скромные требования — достаточно воспроиз­ водить звуковые частоты модулированного излучения. Появление лазеров и светодиодов потребовало от фотоприемников высокого быстродействия, вплоть до наносекундного и даже субнаносекундного. Теоретически и здесь можно сформулировать предел — это фемтосекундное быстродействие, что соответ­ ствует периоду Т электромагнитной длины волны А = 1 мкм:

с3 • Ю10 см/с

Здесь с — стандартное обозначение скорости света.

Так природа сама указывает нам горизонты фотоэлектроники. Но и она же учит экономности и целесообразности: не бездумно бежать к этим горизонтам, а проектировать фотоприемник, исходя из требований конкретных условий, конкретной оптико-механической аппаратуры, добиваться максимума результа­ та при минимуме затрат.

И завершая этот раздел, следует с уважением к глазу сказать, что он ко­ нечно, прообраз не только фотоприемника, а и оптико-механической системы: в состав глаза входит и оптика, и защитные устройства (веки, слезные желе­ зы), глазом выполняются аккомодация (диафрагмирование — зрачок), адапта­ ция (фокусировка — изменение кривизны хрусталика), тремор (колебания глаза для пространственной селекции).

Ряд отмеченных функций научились выполнять и фоточувствительные при­ боры: оптические элементы (иммерсионная оптика, линзы, отрезок световода, световолокна) собирают излучение на фоточувствительный элемент, измене­ ние экспозиционного числа вариацией времени накопления в фото-ПЗС можно считать электронной диафрагмой.

1.3. Презентация фоточувствительных приборов

Как следует из названия книги, она посвящена твердотельным фоточувствительным приборам: преобразование оптических сигналов в электрические про­ исходит непосредственно в твердом теле. В зависимости от физического меха­ низма преобразования различают два класса приборов: квантовые фотоприем­ ники и тепловые приемники излучения.

1.3.1. Квантовые фотоприемники основаны на внутреннем фотоэффекте. Сегодня этот эффект кажется удивительно простым: фотон, поглощаясь в по­ лупроводнике, отдает свою энергию электрону, переводя его на более высокий энергетический уровень, что и приводит к изменению электрических свойств полупроводника.

Английским аналогом термина «фотоприемник» является термин «radiation receiver». Но это достаточно редкий термин, значительно чаще употребляет­ ся «photodetector». В отечественной литературе также встречается «фотоде­ тектор». Термин «детектор» имеет во всяком случае два смысла. Во-первых, это регистратор, обнаружитель, приемник сигнала, и тогда «фотоприемник» и «фотодетектор» — синонимы. Во-вторых, детектор — это демодулятор. Это значение детальнее отражает механизм внутреннего фотоэффекта: на вход при­ бора падает электромагнитное излучение с высокой оптической частотой v (на­ пример, для света ~ (0,4-т-0,8) 1015 Гц), а на выходе получается демодулированный электрический сигнал, пропорциональный мощности или квадрату амплитуды электромагнитной волны (квадратичное детектирование). Как ви-

Р и с . 1.3.1. Внутренний фотоэффект: а) соб­ ственное фотовозбуждение: энергии фотона hu достаточно (hu ^ <Sg) для перевода элек­ трона из валентной зоны в зону проводи­ мости через запрещенную зону cSg; б) при­ месное фотовозбуждение: энергия фотона ма­ ла (hu < Sg), но ее достаточно для перево­ да электрона с мелкого примесного уровня с энергией £п в зону проводимости

дим, в самой терминологии отражается корпускулярно-волновой дуализм света: «квантовый» — это регистрация частиц, а детектор (демодулятор) — это реги­ страция волны.

Большая часть современных фотоприемников (ФП) являются квантовыми, причем в них чаще всего используют переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (собственное фотовозбуждение) (рис. 1.3.1а). Такой пере­ ход создает дополнительные неравновесные электроны (в зоне проводимости) и дырки (в дырочной зоне); их соответственно называют фотоэлектронами и

фотодырками. А дальше эти генерированные излучением фотоносители... впро­ чем, что дальше, зависит от структуры фотоприемника.

Фотодиод (ФД). По своей структуре это обычный полупроводниковый ди­ од, р-л-переход, но, конечно, специальной конструкции, которая обеспечивает максимальный фотоотклик и другие необходимые фотоэлектрические парамет­ ры. Не случайно перечень типов квантовых ФП мы открываем фотодиодом: он не только часто превосходит по характеристикам своих собратьев, но и является хрестоматийным, как бы специально созданными для изучения фото­ эффекта.

Как известно, на границе перехода области л и р истощаются (электро­ ны из л-области диффундируют в p-область, а дырки — навстречу им). Так возникает узкий слой пространственного заряда доноров и акцепторов (ОПЗ), причем электрическое поле Е направлено от л- к p-области, (рис. 1.3.2а). На

р-я-переход

п1______Д

Р и с . 1.3.2. К фотогальваническому эффекту: а) разделение носителей электрическим полем р-л-перехода; б) облучение р-л-перехода отражается на эквивалентной схеме подключени­ ем к нему генератора фототока / ф

этом рисунке показаны три возможных случая фотогенерации пары носите­ лей (в зависимости от места поглощения фотона): непосредственно в ОПЗ, в л-области и в p-области. В первом случае пара сразу же разделяется полем: дырки движутся по направлению поля в p-область, а электроны — против поля в л-область. Скажем иначе: носители движутся по принципу «свой к своим», дырка к дыркам, электрон к электронам. В двух других случаях пара сначала блуждает (диффундирует) в квазинейтральной области: силы электрического взаимного притяжения не дают электрону и дырке разойтись. И если пара успеет до рекомбинации дойти к ОПЗ, то сильного поля ОПЗ достаточно, что­ бы эту пару разделить, преодолеть силу ее внутреннего притяжения — точно

1.3 ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 15

так же, как и в первом случае. Как видим, в идеале на один поглощенный фотон во внешнюю цепь поступает один электрон. Так что ФД является счет­ чиком фотонов подобно счетчикам ядерных частиц. А облучение эквивалентно подключению к р-л-переходу генератора фототока /ф , (рис. 1.3 .26). По этой причине внутренний фотоэффект в ФД называют фотогальваническим.

Разработаны самые различные типы ФД, отличающиеся полупроводнико­ вым материалом (он определяет прежде всего область спектральной чувстви­ тельности), числом, топологией и размером площадок. Различны и структу­ ры: могут применяться не два, а несколько полупроводниковых слоев разных толщин, концентраций и даже разных материалов с разной шириной запре­ щенной зоны (гетероструктуры). Так, между р- и «-слоями формируют /-слой (рш-структуры). Символ «/» обозначает слой собственной проводимости (без примесей). На практике малая концентрация примесей может присутствовать, но сопротивление /-слоя должно оставаться столь большим, чтобы при подаче обратного напряжения малое количество свободных носителей из /-слоя выно­ силось полем так, чтобы он полностью истощился и образовался широкий слой ОПЗ. Даже приведенное выше самое простое описание фотогальванического эффекта позволяет понять преимущества рш-структуры. В широкой истощен­ ной /-области быстро и без потерь разделяются фотоносители, генерирован­ ные в ней глубоко проникающим излучением. Кроме того, емкость прибора и связанная с ней инерционность уменьшаются: широкая истощенная /-область (как бы диэлектрик) раздвинула «обкладки» конденсатора — проводящие р-и «-области.

Гетерофотодиоды решают аналогичную задачу — «заставляют» фотоны по­ глощаться сразу в ОПЗ. Для этого облучаемый слой делают широкозонным, так чтобы ширина его запрещенной зоны i g была больше энергии падающих фотонов hu («прозрачное окно»). Фотоны поглощаются в ОПЗ узкозонной под­ ложки, в ней <Sg< hu.

Необходимо указать еще один тип фотодиодов — фотодиоды с Шоттки-барь- ерами. Так называют выпрямляющие барьеры, которые возникают на контактах полупроводников со специально подобранными металлами. Примерами могут служить барьеры германий-золото, фосфид галлия — золото. Технология таких ФД может быть проще, чем с р-«-переходами. При подборе специального ме­ талла барьер может стать уже ширины запрещенной зоны полупроводника, так что чувствительность продвигается в более далекую область. Пример здесь — барьер между кремнием p-типа и силицидом платины (Si:Pt), позволяющий «очувствить» кремний к ИК-излучению 34-5 мкм.

Можно в принципе регистрировать не только фототок ФД, но и другие электрические параметры. ФД может работать как фотоварикап (varicap: varation capacitanse). Если последовательно с ФД включить нагрузку, то воз­ никающий при облучении фототок вызовет падение напряжения на нагрузке, напряжение на ФД снизится, что, как известно, приводит к росту емкости ФД. В режиме фотоварикапа ФД может применяться в параметрических схемах.

При холостом ходе фототок замыкается через внутреннее (собственное) со­ противление р-я-перехода, смещая его в прямом направлении. Так возникает фото-ЭДС. Для регистрации слабых оптических сигналов такой режим почти не применяется, но он используется в солнечных элементах для преобразова­ ния солнечной энергии в электрическую. Разработка солнечных элементов — это отдельное направление фотоэлектроники со своими задачами, своими кри­ териями оптимизации фоточувствительного элемента.

В последние годы достигнуты заметные успехи в создании ФД, включаю­ щих кванторазмерные структуры (квантовые ямы и точки, см. раздел 4).

Особую группу составляют фотоприемники с внутренним усилением. Если обычный фотодиод поставляет во внешнюю цепь в идеале один электрон на каждый поглощенный фотон, то в таких ФП за счет внутренних механизмов первичный фототок /ф усиливается в Л'ф раз.

Лавинный фотодиод (ЛФД). При подаче большого напряжения на ФД в ОПЗ возникает сильное электрическое поле, носители (например, электроны) разгоняются в нем и набирают энергию больше ширины запрещенной зоны £g на малой длине LmH. Эта длина может стать меньше длины свободного пробе­ га Апр (между рассеяниями на фононах). Такой высокоэнергетичный электрон способен произвести акт ударной ионизации: при соударении с электроном ва­ лентной зоны он выбрасывает его в зону проводимости, отдавая ему свою энер­ гию (подобно акту фотоионизации). При Lm„ < Апр ударная ионизация более вероятна, чем рассеяние.

Таким образом, после акта ударной ионизации имеются уже два свободных электрона — первичный и вторичный. А далее процесс повторяется: теперь два электрона разгоняются полем, после очередных соударений имеются уже 4, затем 8, 16 электронов и так далее (рис. 1.3.3). Возникает лавина, подобная камнепаду в горах. Впрочем, сложнее: второй носитель (дырка), дрейфуя в обратную сторону, тоже может набирать большую энергию и размножаться, тогда возникают лавинные цепи с обратной связью. Первичный фототок /ф может умножаться (усиливаться) в М = 10 ч-100 и более раз.

ЛФД — капризный прибор, требующий высокой технологии при своем из­ готовлении. Не допускаются инородные включения, применяются специальные конструкции: это устраняет локальные и краевые пробои, обеспечивает од­ нородное по площади умножение. ЛФД сложен в эксплуатации: Необходимо точно поддерживать на нем напряжение, причем разное при разных темпера­ турах. Но ЛФД стоит затраченных усилий: он вне конкуренции при регистра­ ции слабых коротких лазерных импульсов. Усиливая сигнал (и, естественно, собственный шум), он «вытягивает» смесь сигнала с собственным Шумом над уровнем шумов схемы. В этом случае говорят: «ЛФД подавляет шумы схемы».

Материалы, конструкции, структуры ЛФД также многообразны. Широ­ ко применяются ЛФД с разделенными областями умножения и поглоще­ ния. Обе эти области сформированы в ОПЗ за счет вариации концентра­

(~50-г-150 мкм), что обеспечивает поглощение излучения широкого спектраль-

Р и с. 1.3.3. Условная схема ударной ионизации в лавинном фотодиоде одним типом носителя (электроном)

ного состава (как известно, от длины волны зависит и глубина поглоще­ ния). В такой конструкции удается получить относительно малое рабочее напряжение £/раб:

см

Биполярный фототранзистор и другие. При облучении любого полупро­ водникового прибора с р-л-переходом генерированные фотоносители разделя­ ются р-я-переходом, как мы это видели на примере фотодиода. Освещение р-л-перехода эквивалентно параллельному подключению к нему генератора первичного фототока /ф (рис. 1.3.4). В биполярном транзисторе в общем слу­ чае в базу втекает первичный фототок, генерированный на двух переходах: база-эмиттер и база-коллектор. Как известно, ток коллектора превышает ток базы в /3 раз (/3 так и называют — «коэффициент усиления по току»). Поэтому выходной фототок составляет (31ф.

Обычно коллектор по площади превосходит эмиттер, на то он и коллек­ тор — «собиратель» инжектированных эмиттером носителей. В фототранзи­

18 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

сторе площадь коллектора не просто больше, а много больше площади эмит­ тера, что обеспечивает большую фотоприемную площадку и собирание но­ сителей из тонкой базы, а тонкая база — это значит малые рекомбина­ ционные потери (рис. 1.3.4а). В такой конструкции области фотогенерации и усиления разделены: слева сформирован ФД, а справа на той же под­ ложке транзистор; электрически они соединены. Эта конструкция особенно

наглядно показывает, что фототранзистор можно рассматривать

(рис. 1.3.46).

В полевом транзисторе с управ­ ляющим р-я-переходом первичный фототок /ф возникает на перехо­ де между подложкой (затвором) и истоком-каналом-стоком. Во вход­ ную цепь затвора нужно включить нагрузку R, чтобы на ней возникло падение напряжения U3 = /фД. Как известно, это напряжение управля­ ет током стока 1С:

Здесь G — крутизна полевого транзистора. Как видим, в этом случае усиление составляет GR раз.

Механизм работы фототиристо­ ра идентичен: переключение этого прибора осуществляется генерато­ рами не тока, а фототока (освеще­ нием). Все указанные фотоприем­

ники можно сделать составными: к соответствующему р-я-переходу обычного транзистора или тиристора подключить параллельно фотодиод.

Фоторезистор (ФР). Вряд ли можно представить себе более простую структуру фотоприемника, чем у фоторезитора: это кусок полупроводника с двумя электрическими контактами. Генерированные излучением фотоносители с концентрациями Ап, Ар увеличивают проводимость (эффект фотопроводи­ мости). Прибор пассивный: зарегистрировать изменение проводимости мож­ но только при подаче внешнего напряжения. Но удивительно, что в такой простой структуре есть внутреннее усиление, поэтому мы и рассматриваем

ФР в ряду других ФП с внутренним усилением. Механизм усиления схе­ матически иллюстрирует рис. 1.3.5. Для конкретности выбран полупроводник я-типа проводимости. На рис. 1.3.5а показано исходное состояние: напряжение не подано, облучения нет, изображена «колонна» подвижных основных носи­ телей — электронов, а также неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Естественно, заряды электронов и ионизированных доноров взаим­ но компенсируются. При подаче внешнего напряжения (рис. 1.3.56) «колонна» электронов дрейфует против поля и уходит в правый контакт, пытаясь «ого-

Р и с. 1.3.5. Фоторезистор: а) ме­ ханизм усиления первичного фо­ тотока основных носителей — электронов (схематически): за­ ряд свободных электронов ком­ пенсируется положительным за­ рядом (дырок); б) циркуляция электронов через внешнюю цепь при подаче напряжения: электро­ ны уходят в правый контакт, на смену им приходит ровно такое же количество электронов из ле­ вого контакта; в) облучение: фо­ тоэлектроны присоединяются к циркуляции темновых электро­ нов

лить» остов положительно заряженных доноров. Но тут же из левого контакта взамен ушедшим приходят в том же количестве новые электроны, чтобы ском­ пенсировать положительный заряд доноров и сохранить электронейтральность. Можно сказать иначе: «оголенные» доноры притягивают из контакта электро­ ны. Так возникает непрерывная циркуляция электронов через внешнюю цепь подобно потоку воды в трубе под давлением. Пусть теперь произошел еди­ ничный акт фотогенерации (рис. 1.3.5в). Новорожденный фотоэлектрон присо­ единяется к циркуляции темновых. Как только фотоэлектрон уйдет в правый контакт, на смену ему из левого также приходит новый электрон. Время про­ лета от контакта до контакта обозначим через rnptuIЧерез каждый отрезок времени гпрол во внешнюю цепь поступает дополнительный фотоэлектрон. И так будет продолжаться в течение всего времени жизни гж генерированного фотоэлектрона до момента его рекомбинации. За это время во внешнюю цепь успеет поступить гж/тпрол электронов. Сравните: в ФД на один поглощенный фотон во внешнюю цепь в идеале поступал только один электрон. Естествен­ но, коэффициент усиления первичного фототока А'ф = гж/гпрол увеличивается

20 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

с ростом приложенного к ФР напряжения: скорость дрейфа электронов растет, тпрол падает. Естественно, в отсутствие напряжения направленного дрейфа нет,

ПОЭТОМУ ТПрол -> оо, А'ф = 0.

Теперь о дырках. При омическом контакте через него во внешнюю цепь «просачиваются» только основные носители — электроны, так что контак­ ты блокируют сквозной ток фото- и термогенерированных дырок. Поэтому на рис. 1.3.5 отображалось только движение электронов. Процесс переноса неосновных носителей будет детально рассмотрен во второй книге.

В начале этого раздела мы говорили о простоте фоторезистора. Но раз­ работчики не согласятся с этим и будут совершенно правы. Разработка ФР — этого «куска полупроводника с двумя контактами» — часто требует не меньших усилий, чем разработка других типов ФП. Необходимо оптимизировать струк­ туру энергетических уровней в полупроводнике, согласовать толщину образца с глубиной поглощения излучения, минимизировать рекомбинацию на поверх­ ности. Особое внимание необходимо уделять созданию контактов, снижению избыточных шумов. Все это требует совершенной технологии.

Различны материалы, топология, число площадок в различных типах фо­ торезисторов. Изготавливаются дешевые ФР для автоматики и экспонометрии. И другие — едва ли не самые дорогие среди всех фотоприемников — линейки и матрицы примесных ФР, охлаждаемые до гелиевых температур. Здесь вооб­ ще говорить о простоте не приходится: разработка фотоприборов с линейками или матрицами таких ФР для космических задач — пожалуй, одно из самых технически сложных направлений фотоэлектроники.

В примесных ФР носитель выбрасывается в зону с мелкого примесного уровня, для чего достаточно малой энергии фотона hu, рис. 1.3.16. Стало быть, возможно регистрировать длинноволновое инфракрасное (ИК) излучение. Фо­ тодиоды, к сожалению, оказываются беспомощными перед примесным фото­ эффектом: пара «свободный носитель заряда — ионизированная примесь» не может диффундировать к переходу, так как примесь неподвижна. Исключе­ ние составляют полупроводники со столь большой концентрацией примеси и, следовательно, со столь близким расположением примесных атомов, что они способны обмениваться зарядами, иначе говоря, образуют примесную зону.

Особый класс — это ФР из поликристаллических материалов. Описанная выше модель фотопроводимости здесь не всегда пригодна, существенную роль играют барьеры между кристаллами. Исследование механизмов фотопроводи­ мости в таких материалах продолжаются.

Наиболее широко для регистрации слабых сигналов применяются ФД. Они часто превосходят другие типы рассмотренных ФП по соотношению сигнал/ шум, обладают высокими быстродействием, линейностью и стабильностью, бла­ годаря высокому сопротивлению потребляют малую мощность от источника питания (могут работать вообще без внешнего источника питания). Более до­ рогие и сложные в эксплуатации лавинные ФД являются чемпионами по об­