Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 27
Текст из файла (страница 27)
4.14. Зависимость темнового тока Ф)1 из бе ( ) и 3! ( — — — ) от температуры (а) и схема включения Ф)1 на операционный усилитель (С); à — пра Ф =- Еваа лм; А — прв Ф Е В условиях работы ФД в днодном режиме с немодулированными потоками излучения основным фактором, ограничивающим его обнаружительную способность, служит обратный темновой ток источника питания. Значение его при комнатной температуре для разных типов ФД колеблется от единиц до десятков микроампер.
Темновой ток германиевых ФД сильно зависит от температуры (при изменении температуры от 20 до 50'С /, меняется в 3 — 5 раз, рис. 4.14, а), влажности и давления, что не наблюдается у кремниевых ФД. Кроме того, достоинством кремниевых ФД является также возможность их работы с обратными напряжениями в сотни вольт, что недопустимо для германиевых ФД. В условиях приема модулированных сигналов влияние темнового тока на обнаружительную способность ФД можно уменьшить в электронном тракте, усилив сигнал на частоте модуляции.
У ФД наблюдаются токовый, дробовый, тепловой и радиационный шумы. При работе ФД в фотогальваническом режиме обнаружительная способность ограничивается шумами усилительного тракта, так как собственные шумы ФД в этом случае малы и обнаружительная способность достигает для германневых ФД до 10'т Гцнв/Вт при )ч = 1,55 ьцсм, а для кремниевых — !О'а —:1О!4 Гцпв/Вт при )ч = 0,8 —:0,9 мкм.
Электронный тракт ФД. На рис. 4.14, б приведена схема включения германиевого фотодиода типа ФД-9!! 1А с Я, =— = 17 мА/лм, /, = 10 мкА, У;„, = 12,6 В, Ф,„=- 0,035 лм во вход интегрального операционного усилителя КУТ 401Б с коэффициентом усиления л = !00. Сопротивление нагрузки при Ф ,„ = = 0,035 лм согласно выражению (4.24) будет "пит 12,3 1 + ЯАФм,„10 !О а+ 17 10 а 0,033 Максимальная вольтовая чувствительность ФД Яг „ = Бг/с„ х = 17 !О '2 !О' = 340 В/лм.
Расчетные параметры схемы имеют следующие значения: )г, = 20 кОм, )т„, = )с„в = 2 кОм, сопротивление обратной связи /(,,, = й/ч'„, = 200 кОм [90[. Высоко гастотные ФД. Для того чтобы уменьшить постоянную времени ФД, уменьшают толщину базы, чтобы образовавшиеся на поверхности носители быстрее дошли до р — и-перехода и там рекомбинировали. Расширяют р — и-переход за счет подачи высокого обратного напряжения, чтобы излучение в большей степени поглощалось в нем.
Делают базу прозрачной для регистрируемого излучения с тем, чтобы излучение поглощалось в самом р — п-переходе. В настоящее время высокочастотные ФД изготавливают на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки, поверхносгного барьера, создаваемого ионным легированием, и на основе р — 1 — п-структур.
В высокочастотных ФД с гетеропереходом материал освещаемого полупроводника подбирают так, чтобы регистрируемое излучение проходило сквозь него и поглощалось в самом р — и-переходе. Глубину залегания р — л-перехода в этом случае делают небольшой (гетерофотодиод с переходом пбаАз — рбе имеет глубину залегания р — -и-перехода 50 мкм). Кроме того, р — и-переход расширяют за счет обратного напряжения, что позволяет получить постоянную времени 1Π— 20 нс. В последние. годы разработаны ФД с гетеропереходом на основе хальгогенидов свинца (РЬБ, РЬЯе и РЬТе), ФД с гетеропереходом РЬБ — ОаАз, с контактами из золота на РЬБ и из Ац — Бп на баАз имеют спектральную чувствительность 0,9 — 3,2 мкм при 77 К с обнаружительной способностью 2 х 10в см Гц!1Я/Вт.
В высокочастотных ФД на основе РЬБ базой служит РЬБ р-типа, далее идет слой РЬБ п-типа, полученный ионным легированием (внедрением ионов БЬ), и слой Б!Ов с отверстиями для электролитического осаждения контактов из Ап на слой РЬБ и-типа.
При 77 К и нулевом смещении такие ФД с площадкой 0,14 мм' имеют сопротивление бх!О' Ом, /)ь,„=- бх х!Он см Гц!~ /Вт при Х „= 3,4 мкм; при 195 К вЂ” 5х!О' Ом, 1,1Х 10н см. Гцы'/Вт пРи )чм,„= 2,95 мкм. Внедряя ионы БЬ в РЬТе р-типа при 77 К и площадке 0,14 мм' (при нулевом смещении), получают Х,„= 4,4 мкм (при 5,! мкм обнаружительная способность уменьшается вдвое) с г)ь = 1,4х!0п см.Гцц'/Вт. Эти фотодиоды имеют стабильные параметры [57 [. Поверхностно-барьерные высокочастотные ФД.
У поверхностно-барьерных ФД (ПБФД) контактный барьер располагается на поверхности полупроводника. Их изготавливают на основе эффекта Шоттки (образование контактного барьера на границе металл — полупроводник) или специальной обработкой, когда поверхностный слой полупроводника в отличие от объемного приобретает иной знак [23). На рис. 4.15, а показано схематическое устройство ПБДФ на эффекте Шоттки. Падающий поток проходит 123 1,О у 75 бб йй бб Фб йб Ло, Рис. 4.15.
Схема ПБФД (а), его усредненные спектральные характеристики (б) и структура ФД р — ! — л-типа (в); ! — просеетлиющее поирысие, 7 — тоикан полупрозраенаа пленка нз золота «лн оаллалии; 8 — область р — и-барьера; а .— изолирующее колько; 5 — оиическна контакт; 5 — Аоаар: 7 — АпааАзр; 8 — «Астра.!»;  — ФПЗ-! сквозь просветляющее покрытие 1 и сквозь оптический контакт с поверхностным инверсионным слоем 2, выполненный из тонкой (2 — !О нм) золотой пленки, и поглощается в области р — л-перехода. Поглощение потока излучения в этой области приводит к слабой зависимости фототока и постоянной времени от напряжения питания. ПБФД имеют более широкий диапазон спектральной чувствительности.
Сильно поглощаемое УФ-излучение проходит через тонкуро пленку золота и поглощается в области р-. П-перехода, что позволяет реализовать спектральную чувствительность до 0,2 мкм. С другой стороны, отсутствие термообработки при изгоп7влении ПБФД обеспечивает высокую диффузионную длину неосиовных носителей, что сдвигает границу чувствительности в ИК-область. На рис. 4.15, б приведены усредненные относительные спектральные характеристики ПБФД: АПСзар, )с,„= 0,44 мкм, Бабе = 5,2х10" мкА/Вт; АцбаАзр, )сщах = 0,54 мкм, Б,б, =- 6,2.10" мкА/Вт; «АстРа-1», )сюах = 08 мкм, 5иб = 1,5Х х10' мкА/Вт; ФП3-1, )4 „= 0,8 мкм, 5абс = 1,8х!О' мкА/Вт. ПБФД отличаются от обычных малым значением темпового тока ( 10 ' А/сма) и малой постоянной времени схемной релаксации (тр )7С 1 нс) .
На основе РЬБе изготовляют ПБФД с )с" = 6 мкм. Пленки )у-типа толщиной 2 — 6 мкм выращивают на подложке из Вар, шириной примерно 0,35 мкм. Поверхностный барьер формируют напылением на них свинца. Омические контакты создают напылением на них платины. Такие ПБФД площадью 10 ' см' при 77 К имеют омическое сопротивление 1,5 — 74 кОм, 0 = 1,8х х 10'Р см Гцп'/Вт и квантовую эффективность до 70%. Постоянная времени ПБФД составляет единицы наносекунд.
У ПБФД наблюдаются тепловой, дробовый и токовый шумы. При работе на высоких частотах, при небольших обратных смещениях (-6 В) основную роль играют тепловой шум сопротивления нагрузки. 124 ФДр — 1 — га-типа, Увеличить 7цирину потенциального барьера можно в р; -1 — л;структурах, представляющих собой собственный полупроводник ! с большим удельным сопротивлением (в 10'— !О' раз более высоким, чем и- и р-области), ограниченный с двух сторон сильно л1егированными слоями и- и р-типов (рис.
4.15, в). На л- и р-области наносят контакты. Такие ФД получили название р —.! — л-фотодиодов. В таких ФД при приложении к контактам напряжения смещения сильное равномерное внутреннее электрическое поле электронно-дырочного перехода сосредоточено в !'-области. При малой толщине освещаемого слоя р- или и-типа (0,5 мкм) падающее излучение поглощается в !'-слое. Постоянная времени такого р ! — л-ФД определяется временем пролета носителей через переход (при !'-области 0,1 мм т == (1,7 —;1,3) х Х!О ' с). При небольшой площади перехода ( 2Х10 ' см') и значительной толщине 5-слоя емкость перехода мала и время схемной релаксации 10 " — 10 " с.
Частотная характеристика р . !' — л-фотодиодов в коаксиальном исполнении (корпус представляет собой часть коаксиального кабеля) с площадью перехода около 2 10 ' см" простирается до частот примерно 2 10 ГГц. Темновой ток р .- ! — л-фотодиодов приблизительно равен (1 †; 8) ° 10"' А. Структура р ! — л является одной из основных структур высокочастотных ФД (57). й 4.4. Приемники излучения с внутренним усилением фототока Лавиииые фотодиоды (ЛФД). Такие фотодиоды позволяют реализовать внутреннее усиление фототока за счет электрического пробоя р л-перехода и образования лавинного процесса размножения поступающих в р — и-переход неосновных носителей. При дос аточном обратном электрическом смещении р--и-перехода образовавшиеся при освещении неосновные носители ускоряются электрическим полем и сталкиваются с решеткой кристалла в области р — п-перехода, образуя дополнительные электронно-дырочные пары (рис. 4.!6, а), которые, в свою очередь, совершают а) д-л /,р зе )Р фа~ 17 + рис.
4 1Ы Лавинный процесс в ЛФД (о) н вольт-амперные характеристики ЛФД (б) 125 такой же процесс. В результате входной ток !„усиливается в М раз, где М = !,,/!вх — коэффициент умножения лавинного фотодиода; !,„, — выходной ток ЛФД. Лавинные фотодиоды обычно работают в предпробойном режиме, поэтому коэффициент М очень чувствителен к колебаниям напряжения )д„р, приложенного к области заряда в р — л-переходе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
