1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 76

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 76)

Возможнои др уго е расположение кр и стал ла полупроводника, когда свето­вой поток параллелен плоскости перехода.В качестве активного элемента в фотодиодах м огут использо­в а т ь с я электрические переходы различных типов: резкий симмет­ричный р -п переход, р-Ь-п переход, электронно-дырочный пере­х о д с меняющийся по толщине эмиттера концентрацией приме­сей (переход с встроенным электрическим полем), переход металл —полупроводник (диод с. барьером Шоттки), гетеропереход и др.Принцип действия фотодиода б ази р уется на физических про­цессах, протекающих в облученном переходе, которые р ас см ат­ривались в § 14-5.

В отсутствие светового потока (Ф — 0) в фото­диоде, под действием обратного н ап ряж ен и я, течет обратныйток, значение которого, как известно, определяется концентрациейнеосновных носителей в полупроводниках, площадью п ер ехо д а,физическими процессами в области запирающего слоя и т. д.Все эти вопросы подробно рассмотрены в § 11-3 — при обсуж ден и ивольт-амперной характеристики реального полупроводниковогодиода. П оскольку фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничемпрактически не отличается от полупроводникового диода, все р ас­смотрение, проведенное в § 11-3, справедливо и для зависим остиI —f ( и ) фотодиода при условии, что Ф —0. Эту зависим остьдля фотодиода часто называют т ем новой волып-амперной х а р а к ­т ерист икой.Р ис .схема14-13.

Устройство (а) ивключения (б) фото­диода.1 — пластина герм ания; 2 — крн*сталлодержатель;з — изолятор;4 — втул ка;5 — металлическийкориус; 6 — стеклянное окно.а) .При освещении фотодиода (Ф >■ 0) в его базе (пластине п — в ев приборе, изображенном на рис. 14-13) под действием кван то всвета развивается процесс генерации пар зарядов. Н аиболее ин­тенсивен процесс генерации пар зар яд о в у внешней поверхностибазы. Вновь образовавшиеся электроны и дырки диффундируютчерез толщу базы к р-п переходу.

Д ы р ки увлекаю тся ко н тактн ы мполем § к и выбрасываются в р-область, увеличи вая таким образомплотность потока неосновных носителей через переход, а сл ед о ­вательно, и обратный ток в приборе. Д л я того чтобы вновь образо­вавш иеся дырки могли в большинстве своем достичь области р - пперехода, толщина базы должна быть меньше диффузионной дли н ыдырок: ю < Ьр.К ак было показано в § 14-5, процесс протекает наиболее эффек­тивно при выполнении условия (14-23)и; я « 1/а0В соответствии с этим требованием и выбирается толщина б азыфотодиода.Вольт-амперные характеристики. Д ля определения зависимостито к а, текущ его через фотодиод, от приложенного напряжениявоспользуем ся полученным ранее соотношением (14-25):1 = 1ф - 1 0 е*т - 1.В рассматриваемом сл у ч ае внешняя цепь (рис.

14-4, б) содержитдополнительный источник напряжения и следовательно, напряже­ние на р-п переходе равно:(14-36)и „ер —IRn —U.У чи ты ваяобразом:это,перепишем выражение(14-25),следующим(14-37)Построенные в соответствии с (14-37) вольт-амперные характе­р и ст и к и фотодиода (ри с.

14-14, а) представляю т собой частьвольт-амперной хар актер и сти ки облученного р - п перехода (рис.14-7).К а к уж е было ск азан о , темповая характери сти ка (Ф = 0)представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характери­стики диода.

Поэтому в кремниевых фотодиодах темновой токзначительно меньше, чем в германиевых, а его некоторый ростс повышением'обратного напряжения объясняется теми ж е причи­нами, что и д ля полупроводниковых диодов (см. § 11-3).С увеличением светового потока фототок с соответствии с (14-27)растет линейно, что и определяет эквидистантность характе­ристик при Ф > 0 и при условии, что АФ — Ф 3 — Ф2 = Ф 2 —— Ф х = const.Энергетические характ ерист ики фотодиода (рис. 14-14, 6) ли­нейны в достаточно широком интервале изменений светового по­тока. Рост фототока с увеличением обратного напряжения объяс­н яется расширением запирающего слоя и соответственным умень­шением ширины базы , в результате чего меньш ая часть неоснов­ных носителей рекомбинирует в толще базы в процессе диффузиик р -п переходу.Относительные спектральные характеристики германиевогои кремниевого фотодиодов показаны на рис.

14-14, в. Образовавние пар зарядов при облучении фотодиодов обусловлено в основ­ном собственным поглощением (см. § 14-1). Поэтому максимумспектральной характери сти ки приборов, выполненных из кремния,обладающего более ш ирокой запрещенной зоной (А ^з « 1 , 1 эВ),соответствует меньшим значениям % по сравнению с приборамина основе германия {АЕ3 » 0,72 эВ). По этой ж е причине и длин­новолновая граница д л я германиевых приборов лежит в областиболее длинных волн.Уменьшение чувствительности в области коротких волн объ яс­няется следующими причинами. В этой области коэффициент а„достаточно велик (а0 « 10® см-1), фотоны поглощаются в основномвблизи наружной поверхности базы , где вероятность рекомбина­ции на поверхностных центрах весьма вели ка, и число неосновныхносителей, приходящих к р-п переходу, уменьш ается.Частотная характеристика фотодиода (рис.

14-14, г) отобра­ж ает реакцию прибора на модулированный по яркости световойпоток. По оси абсцисс отложена частота / модуляции яркостипотока Ф. Уменьшение фототока с увеличением частоты / с в и ­детельствует об инерционных свойствах фотодиода.7р*1<—*гФ,Ф*0г■■и0,8,15Ф"КТ1,21,6В)140,70 7Ч)г)/грГнс. Н -Н . Вольт-амперныо (а), энергетические (б), относительныеспектральные (в) и частотная (г) характеристики фотодиодов.1 — германиевый фотодиод; 2 — кремниевый фотодиод.Инерционность фотодиодов обусловлена рядом факторов, средикоторых важную роль играют врем я зар я д а емкости п ерехода,а такж е врем я 1п диффузии носителей к переходу и вр ем я гдрпрохождения носителей через область объемного зар яда в переходе.Если период Гм модулирующих световой поток колебаний сравн и мс суммарным временем ¿„р = (д„ф -I- (п двш кеуия носителей, топроцессы изменения тока в приборе к а к бы не успеваю т за бы ст­рыми изменениями интенсивности светового потока.

В р езу л ь татес ростом частоты амплитуда переменной составляющей тока в на­гр узке фотодиода уменьшается н увеличи вается фазовый сд ви гмеж ду модулирующим световой поток колебанием и переменнойсоставляющей тока в приборе. М ожно п оказать [23], что при /пр «да 0 ,4Т М амплитуда тока ум еньш ается в |/2 раз по сравнению с еезначением на низкой частоте м одуляц и и , а фазовый сд ви г п ре­вышает 70°,В фотодиоде рассматриваемой конструкции область объемногозар яд а в переходе достаточно узка и основное время движенияносителей определяется диффузией дырок в базе (п — Се) : £пр «я « ¿7). П оскольку в нашем случае в отличие от обычного полу­проводникового диода ды рки диффундируют из базы к переходу,врем я Ьв примерно в д ва раза превышает это значение, опреде­ляем ое соотношением (9-121).

Поэтому с учетом (14-23) можнозаписать;^5 -= ^-(14' 38)Отсюда граничная частота, при которой амплитуда переменнойсоставляющ ей тока ум ен ьш ается в \^2 раз (¿пр да 0 ,4 7 ^ ), равна:/ гр = т^ —= 0 ,4 с 4 0 р.(14-39)Ч1РВ полупроводниках, к а к правило, подвижность электроноввыш е подвижности ды рок и, следовательно,< О п. Поэтомус точки зрения инерционных свойств преимущество имеют фото­диоды с базой на основе п-полупроводника.П араметры фотодиодов. К числу параметров фотодиодов отно­с я т с я прежде всего электрические величины, определяющие егореж им работы: номинальное рабочее напряжение £/раб и макси­м ально допустимое обратное напряжение £/0бР.

макс, значение ко­торого гарантирует работу прибора вне области пробоя перехода.В качестве параметров фотодиодов используются те же величины,что и д л я фоторезисторов, так к а к фотодиоды, так ж е к ак и фото­резисторы, с л у ж ат д л я формирования электрических сигналовпод действием облучающего света и для обнаружения и регистра­ции световых сигналов.

К этим параметрам относятся (см. § 14-4):чувствительность «, гран и чн ая частота /гр, пороговый поток Фаи обнаруж ительная способность Б.С целью улучш ения этих параметров в последние годы разра­ботан ряд фотодиодов, устройство которых отличается от рассмот­ренного выше.Фотодиод с встроенным электрическим полем. Энергетическаяди аграм м а этого прибора приведена на рис. 14-15.

Электронно­дырочный переход в таком фотодиоде создается путем диффузииакцепторных примесей в пластину п-полупроводника. При этомконцентрация примесей в базе неравномерна, величина ее умень­ш ается от поверхности базы по направлению к переходу. В резуль­тате тепловой ионизации акцепторных атомов оказы вается неравно­мерной и концентрация ды рок в базе, которые диффундируют к пере­х о д у , обнаж ая неподвижные отрицательные заряды ионизирован­ны х акцепторных атомов у поверхности базы. В базе создаетсяполе §б, вектор напряженности которого направлен к поверх­ности базы. Образую щ иеся при облучении базы световым потокомносители зарядов раздел яю тся этим полем.

Д вижение электроновк переводу характеризуется теперь не только их диффузией, ноп дрейфом в поле ёб- Вследствие этого суммарное врем я дви ж ени яэлектронов в базе уменьш ается и /гр возрастает.Улучшению частотных свойств фотодиодов со встроенным полемспособствует и то обстоятельство, что при изготовлении приборадиффузионным методом толщина базы может быть ум еньш ена до3 —5 мкм.Фотодиод типа р-1-п может быть к а к германиевым, т а к и крем ­ниевым. Отличие его заклю чается в том, что р - и га-области полу­проводника разделены слоем г — собственного полупроводпика.Таким образом, в приборе создаю тся два перехода: типа р -1 итипа и-1.

Однако, если к фотодиоду приложено обратное н ап р я­жение такой величины, что области объемного зар яд а обоих пере-Рпс. 14-15. Энергетпческая диаграмма фотодиода с встроеннымэлектрическим полем.Рпс. 14-16. Энергетнческая диаграммаp-i-n фотодиода,ходов, простирающиеся в основном в i-слой, п ерекры ваю тся(рис. 14-16), то образуется к а к бы один переход, запираю щий слойкоторого лежит в ¿-области.Б азу в таком фотодиоде делаю т достаточно тонкой, т а к что ос­новные акты собственного поглощ ения фотонов п р и х о д ятся на¿-область. Основное время дви ж ен и я генерированных носителейв приборе определяется их дрейфом через ¿-область:iw _1—•^др — т«оудрОтсюда д ля частоты /гр = 0,4/гпр можно записать:Гпр ^<гд р — —/гр ^ 0 ,4 а 0УдР,(14-40)(14-41)где v№ =§к, a § к — контактное поле в переходе.Фотодиоды p -i-n , к ак и фотодиоды с симметричным р - п пере­ходом, с успехом используются д л я обнаружения сигналов с ч ас­тотами вплоть до 10 ГГц.Достоинства фотодиодов этого типа заключаются т а к ж е в боль­ших допустимых обратных н ап р яж ен и ях и меньшей ем костиперехода.Фотодиод с барьером Ш оттки.

Характеристики

Список файлов книги