1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Устройство и 'энергетическаяди агр ам м а этого диода п оказан ы на рис. 14-17. Н а поверхностькр и стал л а п-кремния нанесена тонкая (около 0,01 мкм) пленказолота, покры тая тонкой (около 0,05 мкм) пленкой диэлектрика(сернистого цинка), образующей так называемое просветляющеепокры тие. Вследствие различи я коэффициентов преломления кремн й я, золота и сернистого ц ин ка луч света с определенной длинойволны , отраж аясь от гран и ц раздела этих пленок, проникаетс очень малыми потерями через металлическую плен ку в кристаллкрем н и я. Т ак, например, при прохождении светового потока, и злученного гелий-неоновым лазером (А, « 0,63 м км ), теряется лишь5% мощности.5«МетимР и с.п-полупроВодник14-17. Устройство (о) и энергетическая диаграмма (б) фотодиода с барьером Шоттки.1 — пленка м еталла;2 — просветляющее покрытие; 3 —вы вод.Если энергия фотона> АЕВ, то в кристалле кремния, у егоповерхности, наблюдается собственное поглощение.
Образовавш иеся электроны дрейфуют в поле перехода, создавая фототок.При высоких обратных напряжениях энергия движущ ихсяв запирающем слое частиц мож ет оказаться достаточной для разры ва валентных связей (у д а р н ая ионизация). В этом случае можетвозни кнуть процесс лавинного размножения носителей заряда,характерн ы й д л я лавинного пробоя перехода (§ 10-5). Это явлениеи спользуется в так назы ваем ы х лавинных фотодиодах, основойкоторы х может служ ить не только барьер Шоттки, но и обычныйр - п переход.Л авинны й фотодиод.
Н а рис. 14-18 показано устройство кремниевого лавинного фотодиода с р-п переходом, изготовленногометодами планарной технологии, а такж е платиново-кремниевогофотодиода с барьером Ш оттки. В обоих приборах фоточувствите л ь н а я область выполнена в виде круглого окна малого диаметра(4 0 ^ (5 0 м км ). Небольшие размеры этой области обусловленыодним из основных требований к прибору; лавинообразное размнож ен и е носителей должно возни кать прн некотором обратном напряжении во всем объеме кр и стал л а вблизи облучаемой поверхности.
При больших размерах фоточувствительной площ адки труднополучить однородную по толщине и стр уктур е тонкую (0,1 —0 ,3 м км )пленку п +— илина поверхности кристалла. В неоднородной пленке возможно образование микроучастков с пониженнымнапряжением лавинного пробоя, вследствие чего лавинное р азмножение носителей будет происходить лишь в небольшом объемекристалла и плотность фототока существенно ум еньш ится.Предотвращению локального лавинного пробоя при пониж енных напряж ениях у краев пленки сл уж и т так называемое о хр ан ное кольцо — кольцеобразный слой с проводимостью того ж езн ака, что и проводимость основного кристалла, но с меньш ейР*81-г-А—5\°2оРис.
14-18. Устройство кремниевого лавинного фотодиода с охранным кольцом (а) и платиново-кремнневого лавинного фотодиода с барьером Шоттки (б).концентрацией примеси. Вследствие меньшего градиента концентрации примесей и большего р ад и уса кривизны пробой по периметру охранного кольца возникает при более высоких н ап р яж ен и ях ,чем в активной области.Физические процессы в лавинном фотодиоде отличаю тся посравнению с обычным фотодиодом дополнительным лавинным р азмножением генерированных светом носителей в запирающем слоеэлектронно-дырочного перехода. Вследствие этого процесса ток1ф л во внешней цепи фотодиода увеличивается по сравнениюс током /общ = I ф + /х, обусловленным световой генерацией парзарядов и темновым током, в М р аз, гдеМ=Iф .
лI общ(14-42)— коэффициент умножения носителей.Увеличение фототока в р езул ьтате лавинного раз'множенияиногда в литературе называют усилением первичного фот от окаили фотоумножением.Коэффициент М, подобно выражению (10-59), оп ределяетсяотношением числа дырок (или электронов), появивш ихся в ретзультате развития лавины, к ч и сл у первичных дырок (или электротнов), вызвавш их развитие лавинного процесса.Разви ти е лавины носителей того или иного зн ак а определяетсяособенностями поглощения квантов света- в приборе. К&к отмечалось в § 14-2, значение коэффициента поглощения а 0 различно дляразн ы х длин волн.
Д л я кр ем н и я а 0 « 5 •10* см '1 при длине волныК да 0 ,4 мкм, а при длине волны к да 0,85 мкм его значение сниж а е т с я до 7-102 см"1. П о ско л ьку поглощение происходит в слоетолщиной ш да 1/а0, то в случае коротковолнового облучения(А, да 0 ,4 мкм) кванты света поглощаются в п*-р диоде в приповерхностном п+-слое; через переход движ утся неосновные носители — дырки и в результате развивается лавина дырок. В случае длинноволнового облучения основныеакты поглощения протекают за переходом и, следовательно, в областьобъемного заряда, создавая лавину,приходят электроны.Связь меж ду величиной коэффициента умножения и приложеннымк прибору напряжением описываетсязависимостью, аналогичной (10-60):Р пс.
14-19. Вольт-амнерныехар актер и сти ки лавннного фотодиода.М =1 — ( и п е р / и проб, лав)*1 ’(1 4 ' 43)где 17пер = и — /ф ЛЯ — напряжение на переходе; Я — последовательное объемное сопротивление фотодиода. Величина Ь для разныхм атери алов приведена в § 10-5.Из этого соотношения можно получить 123] формулу для м аксимального коэффициента умножения:г(14-44)п 1 ооии*П оскольку /общ = I ф + /т> то для получения больших значений М следует стремиться к уменьшению темпового тока /т,а т а к ж е к снижению объемного сопротивления Я. В лавинных фотодиодах с барьером Ш оттки М достигает 30—35.Н а основании (14-42) и (14-43), полагая сопротивление Л малыми, следовательно, £/пер да 17, ■можно получить выражение длявольт-амперных хар актер и сти к фотодиода (рис.
14-19):I ф. л = / о 0щ "1 - 1 и / и п р а ^ ~ ) Ь•<1 4 4 5 )14-8. ФОТОТРАНЗИСТОРЫОпределение. Ф от от ранзист ором называют полупроводниковый прибор с д вум я электронно-дырочными переходами, ток которого увеличивается за счет подвижных носителей заряда, образую щ ихся при облучении прибора светом.Устройство. Один из возможных вариантов конструкции фототранзистора п оказан на рис. 14-20, а. К а к видно из этого р и сун ка,фототранзистор отличается от обычного транзистора лишь прозрачным окном в корпусе; через него световой поток падает на пластинуполупроводника, служ ащ ую базой, в центре которой путем вп лавленпя создан коллекторный переход.
Возможны и други е вариантырасположения электродов, например кольцеобразный коллекторна освещаемой поверхности базы.Схема включения фототранзистора п о казан а на рис. 14-20, б.Прибор включен по схеме ОЭ с оборванным выводом базы. Эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторны й переход —в обратном направлении: фототранзистор находится в активномрежиме.
Несмотря на этоток через прибор в отсутствие светового потока (Ф = 0)невелик, так к а к при отсутствующем выводе базы заряддырок, инжектированных изэмиттера, не компенсируетсяполностью электронами базы.Нескомпенсированный объемный заряд дырок поддерживает высоту потенциальногобарьера на эмиттерном пе Рис.
14-20. Устройство (а) и схема вклю реходе, и через прибор течетчения (б) фототранзистора.1—пластинап — Ое; 2 — эмиттер; 3 — ко л темновой ток /Т3К *.4 — кристаллодерж атель; 5 —• и зо л я Принцип действия. При лектор;тор; в — ко р п ус; 7 — стеклянная лин за.освещении прибора (Ф > 0)в базе в результате собственного поглощения образую тся пары з а р я дов. Дырки — неосновные носители — диффундируют к коллекторному переходу и выбрасываются в коллектор, увели чи вая ток в егоцепи, подобно тому, к а к это происходит в фотодиоде.
Но д л яфототранзистора характерен еще один процесс, отличающий егоот фотодиода. Образовавшиеся электроны — основные носителибазовой области — не могут покинуть б азу , т а к к а к базовый вы водотсутствует. С капливаясь в базе, они увеличиваю т отрицательныйобъемный заряд, в том числе и у эмиттерного перехода. В р езу л ь тате потенциальный барьер у этого перехода сн иж ается и р азви вается диффузионный поток дырок из эмиттера в базу. Д ы р ки ,диффундируя в толще базы, подходят к коллекторн ом у переходу ивыбрасываются полем этого перехода в коллектор.* Для фототранзисторов принята следующая спстема обозначения токови напряжений.
Вторая буква в нндексе обозначает электрод, на которомизмеряется напряжение или в цепп которого течет ток. Верхний индексобозначает общий электрод. Например и д — напряжение на базе фототранзпстора в схеме ОЭ;к — темновой ток в цепи коллектора фототранзпстора, включенного по схеме ОБ.Таким образом, генерируемые в базе при ее освещении носители зарядов не только непосредственно участвую т в созданиифототока через коллекторный переход, но и стимулируют в приборе физические процессы, обусловливающие протекание токак а к в обычном транзисторе.Д л я тока в фототранзисторе, следовательно, можно записать:^общ. К = ^21б^ОбЩ. Э 4" 1тК 'Ь -^ф К ПОСКОЛЬКУ П р и /общ.
6 = 0можно записать в видегэI общ. к —/ общ. э(14-46)/общ. н, выражение (14-46)и - гЭ^общ. к “Ь / т к + /ф к>(14-47)откудаТаф-Л21бк1 — Й2хб(14-48)Таким образом, ток в фототранзисторе усиливается в 1/(1 — /га1б)раз. При /г21е « 0 ,9 50,99 и более величина 1/1 —Л21@может достигать нескольких сотен.Схема вклю чения фототраизистора (рис. 14-20, б) практическине отличается от схемы включения фотодиода (рис. 14-13, б),однако если б азу фототранзистораснабдить выводом, то возникнет возможность дополнительного управления током прибора за счет изменения токабазы. Этот принцип управления токомфототранзистора может быть в частности использован для компенсациитемпературных уходов параметра прибора.Вольтп-амперныехарактеристикифототранзистора (рис.
14-21) напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь сл уж и т не ток /б, а световойпоток Ф. Крутой начальный участок этиххарактеристик соответствует режиму насыщения: при малых £/цэколлекторный переход, к а к и в биполярном транзисторе, за счетнакопления ды рок в коллекторе откры вается. Наклон х ар актеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так жек а к и д л я биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.Энергет ические характеристики фототранзисторов, к а к ифотодиода, линейны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
