Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 81
Текст из файла (страница 81)
9.20). В рабочем диапазоне обратных напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ фотодиода в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока. В конструкции фотодиода, естественно, должна быть предусмотрена необходимость освещения кристалла полупроводника с 384 одновременной зашитой этого кристалла от других внешних воздействий (рис. 9.21). Свойства фотодиодов можно характеризовать параметрами и зависимостями, аналогичными параметрам и зависимостям фоторезнсторов.
Однако у фотодиодов есть существенные отличительные особенности. Так, световая характеристика фотодиода, т. е. зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все иеосновиые носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до р-л-перехода и принимают участие в образовании фототока. Во вся- 5 ком случае потери иеосновиых носителей заряда иа рекомбииацию в базе и на поверхности базы практически ие зависят от освещенности, так как ис- 7 ходный полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбииациониых ловушек и ловушек захвата.
7 Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения. Поэтому одним из основных параметров фотодиода является не удельная интегральная чувствительность, а просто интегральная чувствительность: Рис. 9.2Ь Конструкция фотоднода в металлическом кор. пусе: — кристалл цолувроввдника г р.я.лерезодон, 7 — крисгаллодержатель;  — «оркус; 4— внутренний вмвод; 5 — коварозая трубка, б — стеклянный лроходиоб изолятор; 7 — ножка кориуса;  — кольцо припоя, 9 — стеклянная линза К=/е/Ф .
Другой особенностью фотодиодов и важным преимуществом их по сравнению с фоторезисторами является малая инериионность. Всюбще иа инерционность фотодиодов могут влиять три физических фактора: время диффузии или дрейфа неравновесных носителей заряда через базу т„время их пролета через р-л-переход т,; время перезаряда барьерной емкости р-л-перехода, характеризующееся постоянной времени гСмг. Время диффузии носителей заряда через базу фотодиода можно определить аналогично времени пролета носителей через базу транзистора по формулам (4.134) или (4.135).
В сплавных германиевых фотодиодах толщина базы составляет 20...30 мкм и т,-50 нс. У85 Время пролета носителей через р-л-переход т; - 6/ома„, где 6 — толщина р-л-перехода; и,„— максимальная скорость дрейфа носителей заряда (см. $1.10~. В германии и кремнии и,„ж 5 1О см/с, толщина р-л-перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм. Следовательно, время пролета носителей через р-и-переход т; 0,1 нс. Постоянная времени фотодиода гСаа, определяется барьерной емкостью р-п-перехода, зависящей от напряжения, и сопротивлением базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи.
Сопротивление базы у фотодиодов значительно больше„чем у других диодов, так как невыпрямляющий контакт к базе фотоднода расположен по краям базы, а не по всей поверхности (рис. 9.21). Поэтому уменьшение толщины базы может привести не к уменьшению, а к увеличению сопротивления базы. Постоянная времени фотоднодов гСа., получается порядка наносекунд. Таким образом, инерционность сплавных фотоднодов определяется временем диффузии носителей заряда через базу.
В диффузионных фотодиодах, создав ускоряющее электрическое поле в базе из-за неравномерного распределения примесей, можно понизить время пролета носителей через базу до нескольких наносекунд. В таких фотодиодах все три фактора оказывают приблизительно одинаковое влияние на инерционность. Спектральная характеристика фотодиодов также определяется со стороны больших длин воли шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, при малых длинах волн — большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света.
Таким образом, коротковолновая граница фоточувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая этн величины, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительностн фотодиодов в сторону меньших длин волн. Положение максимума на спектральной характеристике фото- диода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения в данном полупроводнике. При резком увеличении коэффициента поглощения с уменьшением длины волны падающего света, например в германии, положение максимума определяется шириной запрещенной зоны (),з„„= — 1,55 мкм) и практически не зависит от толщины базы.
Если зависимость коэффициента поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то эффект уменьшения проникновения квантов свеча н глубь полупроводника и увеличения роли поверхностной рекомбинации будет сказываться слабее с уменьшением длины нсхпны.
Поэтому максимум спектральной характеристики может смещаться при изменении толщины базы н скорости поверхностной рекомбинации. Так, максимум спектральной характеристики кремниевых фотодиодов можно смещать в диапазоне от 0,6 до 1 мкм путем изменения их конструкции и технологии изготовления. Фотодиодм на основе перехода металл — полупроводник Структура фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник и его энергетическая диаграмма при обратном напряжении приведены на рис. 9.22.
Чтобы основная часть квантов света проникла через металлический верхний электрод 1, его толщина должна быть малой (около 1 10 им для Ац). Уменьшения потерь на отражение можно достичь с помощью просветляющих покрытий. Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р-лпереходом. Однако есть некоторые раз- личия, которые сказываются на характеристиках и параметрах. Первым отличием является возможность поглощения квантов света с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, для р) которых полупроводник оказывается прозрачным, в металле верхнего элек- ного барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер (рнс. 9.22), обеспечив тем самым возникновение фототока.
Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта металл — полупроводник определяется высотой потенциального барьера на этом контакте н расположена при более длинных волнах электромагнитного спектра. другим отличием рассматриваемых фотодиодов является то, что с уменьшением длины волны квантов света (с ростом энергии квантов) и с увеличением показателя поглощения в полупроводнике кванты света продолжают поглощаться в слое объемного заряда, где существует электрическое поле. Поэтому коротковол- 387 трода 1.
При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциаль- Рис. 9.22. Структура фотоднода с выпрямлякнпнм пе. реходом между месаллом н полупроводником (о) и энергетическая диаграмма этой структуры прн обратном напряжении (б): 7 .
тонкий прозрачный металлический электрод; 2 — второй месалляческий злектроа, образующий с кРисталлом полупрозодиика омический переход Фотодиоды на основе гетероперехода Энергетическая диаграмма гетероперехода, смещенного в обратном направлении, показана на рис. 9.23. При освещении фото- диода с таким гетеропереходом со стороны широкозонного полупроводника квантами света с энергией Ьтг (б31)йч)бЭх) свет поглощаетсн в пх узкозонном полупроводнике. Широкозонный полупроводник оказывается прозрачным для таких квантов света. Возникающие при йЭг этом неосновные носители заряда, проходя через гетеропереход, создают фототок. С уменьшением длины волны падающего на фотодиод света растет показатель погло/э з(зг щения узкозонного полупроводника. Глубина проникновения квантов в этот полупроводник уменьшается.
Генерация неравновесных носителей происходит только вблизи гегероперехода. При малых длинах волн падающего света (йт') ЛЭ,) кванты света поглощаются в широкозоином полупроводнике. Таким образом, спектральная характеристика фото- диода на основе гетероперехода получается более широкой по сравнению со спектральными характеристиками фотодиодов на основе обычных р-и-переходов. пр' Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
