2.6. Фотоэлектрические приемники

Работа фотоэлектрических приёмников основана либо на явлении фотопроводимости(Фоторезистор), либо на разделении генерированных светом свободных носителей заряда в p-n – переходе(Фотодиод и Фотоэлемент).

Фотопроводимость. При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар, вследствие чего его проводимость возрастает на величину ds=q(µ_ndn + µ_рdр), называемую фотопроводимостью. Концентрацию генерируемых светом неравновесных но­сителей можно определить как

dn =kbФt_nэф  и  dр= kbФt_pэф,   

где Ф — интенсивность света, k — коэФФициент погло­щения, b — квантовый выход (число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом), t_nэФ, t_pэФ — эФ­Фективные времена жизни электронов и дырок. Тогда    ds=q k bФ (µ_nt_nэф + µ_рt_{pэф   ).} Поскольку основным механизмом поглощения является перевод электрона из валентной зоны в зону проводи­мости, т. е. междузонные переходы, то коэФФициент по­глощения резко увеличивается, если hv>E_g. величина квантового выхода равна практически нулю для hv <E_g и единице для hv>E_g такая зависимость вполне понятна, так как квант не может произвести более одной электронно-дырочной пары. Однако при большой энергии кванта (например, для германия больше 3 эВ) электрон, переведенный в зону проводимости, обладает энергией большей, чем Eg. та­кой электрон может передать часть своей энергии элек­трону из валентной зоны и перевести его в зону прово­димости, т. е. возникает процесс умножения электронов и b>1.

    Небольшая Фотопрово­димость при hv<E_g наблюдается вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки, которые обуслов­ливают флуктуации энергии электронов и ширины за­прещенной зоны. Хотя с ростом hv>E_g Фотопроводи­мость должна увеличиваться, практиче­ски она имеет максимум, а затем уменьшается(рис.2.7). Причина этого заключается в уменьшении эФФективного времени жизни с ростом коэФФициента поглощения. Скорость рекомбинации неосновных носителей тока на поверхно­сти обычно больше, чем в объеме. При увеличении k с ростом hv все большая часть излучения поглощается у поверхности. Так как генерация носителей происходит ближе к поверхности, то доля объемной рекомбинации уменьшается, а поверхностной увеличивается, что при­водит к уменьшению t_эФ и соответственно, Фотопрово­димости.

Зависимость Фотопроводимости от интенсивности све­та является линейной  только при малых интенсивностях света. с ростом Ф увеличивается концентра­ция электронно-дырочных пар, в результате чего растет скорость их рекомбинации, т. е. уменьшается t_эФ. по­этому с увеличением Ф значение t_эФ уменьшается, в ре­зультате чего рост Фотопроводимости с увеличением интенсивности света также уменьшается (рис. 2.8).

Полупроводниковая пластина с двумя омическими контактами на концах может быть использована в каче­стве Фоторезистора. рассмотрим основные параметры Фоторезисторов.

рис.2.7. спектральная зави­симость Фотопроводимости

рис.2.8. зависимость Фото­проводимости от интенсивно­сти света

 

 

темновое сопротивление, т. е. сопротивление при отсутствии освещения, очевидно, определяется удель­ным сопротивлением используемого полупроводника и его размерами.

Токовая Фоточувствительность s_I определяет вели­чину Фототока, создаваемого единичным потоком излу­чения, и измеряется в а/лк или а/вт в зависимости от того, как измеряется свет: в световых единицах (люк­сах) или энергетических (ваттах). нередко вместо пото­ка излучения используется плотность потока.  

Вольтовая Фоточувствительность s_? характеризует величину сигнала в вольтах, отнесенную к единице па­дающего потока излучения. токовая и вольтовая Фоточувствительность называется интегральной, если харак­теризует чувствительность к интегральному потоку ис­пользуемого источника света, и монохроматической, если характеризует Фоточувствительность к монохрома­тическому излучению. обычно Фотоприемники характе­ризуют либо интегральной чувствительностью, либо Фо­точувствительностью в максимуме излучения (s_I?maX, s_??maX) с указанием длин волн, при которых чувстви­тельность уменьшается вдвое.

Обнаружительная способность d* характеризует воз­можность использования Фотоприемника для обнаруже­ния и регистрации предельно малых сигналов. она из­меряется в см?гц^1/2?вт^-1:

пороговая чувствительность Ф_пор определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал равен шуму.

Постоянная спада Фототока t_с, т. е. время, в течение которого Фототок после выключения света уменьшается в е раз. поскольку t_с определяется эФФективным вре­менем жизни избыточных носителей тока, а величина Фототока также зависит от t_эФ, то увеличение чув­ствительности за счет увеличения времени жизни избы­точных носителей приводит и к увеличению t_с. таким образом, понизить инерционность Фоторезистора можно только снижением чувствительности.

Зависимость Фототока от длины волны падающего света является спектральной характеристикой Фоторези­стора. Длинноволновый край Фотопроводимости (малые hv на рис.2.7) зависит от ширины запрещенной зоны и изменяется в зависимости от температуры в соответ­ствии с изменением e_g. поскольку максимум на зависи­мости I_Ф(v) появляется в связи с ростом коэФФициента поглощения и уменьшением глуби­ны проникновения света в полупроводник, то положение максимума зависит от объемного времени жиз­ни избыточных носителей, геометри­ческих размеров Фоторезисторов, скорости поверхностной рекомби­нации (а соответственно и от тех­нологии изготовления приборов) и других Факторов.

Разделение носителей заряда на p-n-переходе. при освещении р—n-перехода про­исходит генерация электронно-ды­рочных пар. движение избыточных носителей зависит от того, где они возникают, т. е. в каком месте поглощается свет. если излучение поглощается в р- области (рис.2.9), то электронно-дырочные пары, находящиеся на расстоянии, меньшем длины диФФузионного смеще­ния от p-n-перехода, смогут достигнуть его. потен­циальный барьер p-n-перехода способствует переходу электронов. соответственно, если излучение поглощает­ся в n-области, то через р—n-переход могут пройти толь­ко дырки. если же излучение поглощается в области объемного заряда, то электроны переносятся электриче­ским полем p-n-перехода в n-область, а дырки в р- об­ласть. таким образом, электрическое поле p-n-перехо­да разделяет избыточные носители тока. поскольку из обеих областей через p-n-переход уходят только неос­новные носители, то можно считать, что генерируемые светом носители заряда увеличивают обратный ток p-n- перехода, так как именно он образуется за счет неоснов­ных носителей. поэтому вольт-амперную характеристику p-n-перехода при освещении можно записать как

I=I_нас(ехр[qv/kt] - 1) - I_Ф,                     

где  I_Ф — Фототек, создаваемый носителями, возбужден­ными светом.

рис.2.9.разделение генерируемых светом носителей заряда в p-n-переходе

 

можно показать, что усиление Фото­тока в p-n-переходе не может быть больше1. однако у Фото­диодов на основе p-n-переходов много других преимуществ, главным из которых является малая инер­ционность.

освещаемый p-n-переход используется в двух ре­жимах работы: Фотодиодном и режиме генерации Фото- э. д. с.

Фотодиоды. Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве Фотоприемника, ток которого зависит от освещения. при достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная харак­теристика (рис.2.10) запишется как

I=- (I_нас + I_Ф) =-I_нас-qc?sФ, где с безразмерный коэФФициент, т. е. ток не зависит от напряжения, а определяется толь­ко интенсивностью света (рис. 2.10). типичная конструк­ция Фотодиода также показана на рис. 2.10.

темновое сопротивление Фотодиода может быть мно­го больше, чем Фоторезистора, поскольку оно определяется обратным током p-n-пе- рсхода, который имеет небольшую величину (особенно в кремнии). соответственно, отношение темнового со­противления к сопротивлению при освещении (Фоточувствительность) у Фото­диода также выше.

    Для увеличения чувствительности Фотодиода может использоваться эФФект лавинного умножения носителей в области объемного заряда p-n-перехода. на­пример, в Фотодиоде, показанном на рис. 2.10 при на­пряжении, близком к напряжению лавинного пробоя происходит умножение тока дырок, диФФунди­рующих из n-области к р⁺—n -переходу. коэФФициент умножения m=I/I_p определяется отношением полного тока I на выходе к начальному току I_p, состоящему из Фототока и темнового тока I=I_Ф+I_нас.

 Рис. 2.10. Вольт-амперная характеристика и конструк­ция фотодиода

 

выходной ток также состоит из умноженного Фототока и умноженного темнового тока  I=I_Фу+I_насу, следовательно, m=( I_Фу+I_насу )/( I_Ф+I_нас).

очевидно, что большие значения коэФФициента умно­жения и Фоточувсвительности могут быть получены только при малом темновом токе I. так как темновой ток кремниевых диодов много меньше, чем германиевых, то и коэФФициент умножения у них больше (для крем­ниевых м=10³ ... 10⁴, для германиевых м=300.. .400).

к недостаткам лавинного Фотодиода следует отнести, во-первых, зависимость м от интенсивности света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питаю­щего напряжения (0,01 ... 0,2%), так как м сильно зависит от напряжения.

инерционные свойства Фотодиодов можно характе­ризовать предельной рабочей частотой (частота моду­ляции света, на которой амплитуда Фотоответа умень­шается до 0,7 от максимальной); постоянной времени Фотоответа (определяемой по времени нарастания им­пульса Фотоответа до 0,63 от максимального, при пря­моугольном импульсе света); сдвигом Фаз между вход­ным (световым) и выходным (электрическим) сигна­лом.

рассмотрим влияние частоты модуляции света на Фототок диода (рис. 2.10) при условии, что весь свет поглощается вблизи поверхности и скорость поверх­ностной рекомбинации отлична от нуля.

если в момент времени t=0 подать на Фотодиод прямоугольный импульс света (рис.2.11,а), то ток через диод появится после того, как возбужденные светом но­сители тока дойдут до р—n-перехода, т. е. через время, равное времени диФФузии неравновесных носителей че­рез базу:

                                                t_д=w²/2d_p     

в начале импульса (0<t< t_д) градиент концентрация дырок в базе больше, чем в установившемся режиме (t_д<t<t_и). поэтому в начальный момент неравновесные носители диФФундируют через базу с большей скоро­стью, чем последующие. соответственно носители, воз­бужденные в конце импульса света ( t > t_и ), диФФунди­руют медленнее. вследствие этого Фронт и спад импуль­са Фототока будут размытыми. чем больше ширина ба­зы, тем больше размытие импульса, так как ?t=w/?v. к размытию импульса Фототока приводят и Флуктуации тепловых скоростей носителей зарядов.

рис. 2.11. процессы в Фотодиоде при импульсном освещении:

a— вид импульса света, б — вид импульса Фототока, в — распределение кон­центрации избыточных носителей в базе, г — вид импульсов Фототока при большой частоте следования импульсов света

 

одновременно, при прохождении через базу неравно­весные носители частично рекомбинируют, что приво­дит к уменьшению амплитуды импульсов Фототока. этот эФФект также увеличивается с ростом w. если длитель­ность интервалов между импульсами света много боль­ше t_д, то Фототок имеет вид разделенных друг от дру­га импульсов. с увеличением частоты следования им­пульсов света длительность интервалов между ними уменьшается и при больших частотах следующий им­пульс Фототока начинается, когда предыдущий еще не успел закончиться (рис.2.11,г). в этом случае Фототок состоит из постоянной I⁰_Ф и переменной I^~_Ф составляю­щей. очевидно, что с увеличением частоты I^~_Ф умень­шается, а I⁰_Ф растет. таким образом, при большой ча­стоте следования импульсов света Фотодиод не успевает реагировать на каждый импульс света. поэтому им­пульсы Фототока сливаются друг с другом и Фототок становится постоянным, а не импульсным. сказанное справедливо не только при импульсной, но и при других Формах модуляции светового потока. предельной часто­той и называется частота модуляции света, на которой  I^~_Ф =0,7I_ФmaX.

в общем случае, инерционность Фотодиодов опреде­ляется тремя основными параметрами: временем диФФу­зии неравновесных носителей через базу t_д; временем их пролета через область объемного заряда p-n-пере­хода t_I,  rс-постоянной t_rс.

высоким быстродействием обладают Фотодиоды на основе барьера шоттки. в типичной структуре (рис.2.12) такого диода свет проходит через тонкую полупрозрач­ную пленку металла и поглощается в основном в обла­сти объемного заряда полупроводника. следовательно, инерционность обусловливается только временами t_I и t_rс. малое значение t_I обеспечивается узкой областью объемного заряда, а небольшое значение t_rс получается за счет того, что удельное сопротивление металла много меньше, чем полупроводника. основными переносчиками тока через контакт в этом случае являются дырки полупроводника (рис.2.12), ко­торые практически мгновенно рекомбинируют с элек­тронами в металле.

спектральная характеристика Фотодиодов подобна аналогичным характеристикам Фоторезисторов (см. рис.2.7). длинноволновая граница (малые hn) Фото­чувствительности определяется шириной запрещенной зоны полупроводника, а спад в коротковолновой части спектра (большие hn) также объясняется тем, что ко­эФФициент поглощения растет и большая часть излуче­ния поглощается в приповерхностном слое базы (см. рис.2.10), где эФФективное время жизни мало и мень­шая часть генерированных светом носителей доходит до p-n-перехода.

рис.2.12. конструкция Фотодиода на основе барьера шоттки и его энергетическая диаграмма при обратном смещении

 

существенно повысить чувствительность в коротко­волновой части спектра можно в диоде на барьере шоттки. поскольку свет в нем проникает через тонкую металлическую пленку, то с ростом частоты света все большая часть его поглощается в слое объемного заряда ближе к металлическому электроду и путь носителей то­ка через контакт, в отличие от p-n-перехода, сокраща­ется. используя металлические пленки с резонансным характером пропускания света, можно, наоборот, полу­чить Фотодиод шоттки с максимумом чувствительности на определенной частоте света и узкой полосой пропу­скания.

Инжекционные фотодиоды. существенным недостат­ком Фотодиодов является низкая токовая Фоточувстви­тельность, так как в них квантовый выход не может быть выше единицы. их использование в режиме лавин­ного умножения приводит к очень жестким требованиям к стабильности температуры и напряжения питания. этих недостатков лишены инжекционные Фотодиоды — новый класс Фотоприемников с внутренним усилением, разработанный в последние годы.

инжекционный Фотодиод представляет собой диод с длинной базовой областью из высокоомного полупро­водника. длина базы в несколько раз превышает длину диФФузионного смещения неосновных носителей тока. р—n-переход включается в пропускном направлении. инжекционный Фотодиод работает в режиме высоких уровней инжекции: проводимость базовой области опре­деляется инжектированными носителями.

освещение светом из собственной или примесной об­ласти поглощения приводит к изменению сопротивления базовой области как за счет непосредственного увеличе­ния концентрации носителей (как в Фоторезисторе), так и за счет изменения параметров, определяющих распре­деление неравновесных носителей в базовой области, таких, как время жизни и биполярная подвижность. из­менение этих параметров приводит к изменению рас­пределения неравновесных носителей и, следовательно, сопротивления базовой области. поскольку инжектирующий p-n -переход включен последовательно с со­противлением базы, то изменение последнего приводит к изменению напряжения на p-n - переходе и изменению инжекционного тока. последнее вызывает новое измене­ние проводимости базы, и новое перераспределение на­пряжения, и новое усиление инжекции. таким образом обеспечивается сильное усиление первоначального Фото­тока, причем наиболее сильно усиливается Фототок, со­зданный поглощением света из примесной области. это связано с тем, что при этом происходит непосредствен­ное изменение заполнения центров, определяющих время жизни, и изменение соотношения концентраций электро­нов и дырок, определяющее биполярную подвижность.

экспериментальные исследования инжекционных Фо­тодиодов из высокоомного германия, кремния, арсенида галлия и других материалов показали, что инжекцион­ные Фотодиоды имеют в десятки и сотни раз большую токовую Фоточувствительность, чем Фоторезисторы из аналогичного материала тех же размеров и при том же смещении. токовая Фоточувствительность обычных Фото­диодов на 5... 6 порядков меньше. пороговая чувстви­тельность и инерционность инжекционных Фотодиодов примерно такая же, как и у Фоторезисторов.

существенно большая токовая Фоточувствительность инжекционных Фотодиодов упрощает их согласование с предусилителями и реализацию пороговых характе­ристик.

Фотоэлементы. Фотоэлементами называют p-n-пере­ходы, работающие в режиме генерации Фото-э. д. с. при облучении их светом. для улучшения собирания p-n - переходом генерируемых светом носителей база обычно изготовляется методом диФФузии.

при отсутствии внешнего источника питания дырки, возбужденные светом в базе диода (см. рис. 2.10), пере­носятся за счет контактной разности потенциалов в р- область, где они и накапливаются. в n-области происхо­дит накопление оставшихся там электронов. при под­ключении к такому диоду сопротивления нагрузки r_н в нем потечет ток, уменьшающий концентрации накоп­ленных носителей, а значит, направленный от p- к  n - области. при постоянном освещении наступит динамиче­ское равновесие между количеством генерируемых све­том носителей тока и их убылью через внешнюю цепь. если нагрузки нет, то равновесие наступит вследствие того, что накопленные носители понижают потенциальный барьер p-n - перехода и возникают диФФузионные токи основных носителей через p-n - переход. при r_h=0, т. е. коротком замыкании, напряжение равно нулю, а I=-I_Ф. в режиме холостого хода (r_н =?)      I=0, а

v_хх=(kt/q)ln(I_Ф/I_нас +1).                         

для увеличения Фото-эдс необходимо брать полупроводники с большими значениями ширины запрещённой зоны e_g и длины свободного пробега дырок l_р.

важным параметром Фотоэлемента в дополнение к параметрам, характеризующим Фотодиод, при исполь­зовании в качестве источника энергии является к. п. д. он характеризуется отношением максимальной мощно­сти электрического тока, которую можно получить от Фо­тоэлемента, к мощности излучения, падающего на Фото­элемент. снижение к. п. д. происходит как из-за внеш­них потерь (в основном потери на отражение падаю­щего света), так и из-за внутренних, обусловленных наличием последовательного сопротивления r_б и утечкой носителей через сопротивление самого p-n-перехода. кроме этого, следует учитывать, что часть носителей, возбужденных светом, рекомбинирует не доходя до p-n- перехода.

обычно Фотоэлементы используются для преобразо­вания солнечной энергии в электрическую. поэтому к. п. д. будет тем больше, чем большая часть спектра солнечно­го света участвует в генерации носителей тока (т. е. чем шире спектральная характеристика Фотоэлемента). по­скольку Фотоэлемент из любого материала не имеет та­кой широкой спектральной характеристики, то старают­ся подобрать материал, Фотоэлемент из которого имеет максимум на спектральной характеристике, совпадаю­щий с положением части спектра, на который приходит­ся максимум энергии излучения солнца. в настоящее время Фотоэлементы изготавливаются в основном из кремния и их к. п. д. достигает 12%. перспективным является также соединение al_Xga_1-хas, Фотоэлементы из которого имеют к. п. д. до 20%.

расширить спектральную характеристику Фотоэлемента можно используя для его создания гетеропереход. рассмотрим, например, гетеропереход из n-арсенида галлия и р-германия(рис.2.13). если конструкция Фотоэлемента подобна изображенной на рис.2.10, то для излучения в интервале e_gge <hn<e_ggaas свет проходит через слой gaas и поглощается в прилегающем к нему слое ge. с ростом частоты hn> e_ggaas свет поглощается в gaas, а при дальнейшем увеличении частоты, из-за роста коэФФициента погло­щения, поглощение происходит ближе к внешней поверхности арсенида галлия, вследствие чего Фототок уменьшается, как и в обыч­ном Фотодиоде. таким образом, гетеропереход может иметь спект­ральную характеристику более широкую, чем гомопереход (рис.2.13).

существенное влияние на спектральную характеристику гете­роперехода оказывает структура границы раздела двух полупро­водников. если на этой границе имеется большое количество де­Фектов, то эФФективное время жизни избыточных носителей мало. так как с ростом энергии квантов света в интервале e_gge<hv< <e_ggaas большая часть света поглощается в прилегающем к пе­реходу слое германия, то Фототок резко уменьшается и спектраль­ная характеристика гетероперехода имеет вид двух раздельных максимумов.

хорошие результаты получены в настоящее время при исполь­зовании для создания солнечных элементов гетероперехода gaas— gap, так как эти полупроводники имеют большой коэФФициент по­глощения в видимой части спектра.

рис.2.13. энергетическая диаграмма гетероперехода и его спектраль­ная характеристика