|
| |
|
Слаботочка Книги примесный фотоэффект используется лишь в приборах ИК-виде-ния; основная тенденция их развития также связана с поиском возможностей перехода на собственный фотоэффект. Генерация фотоносителей в базе приводит к нарушению концентрационного равновесия - начинается их перемещение: дырок влево (на рис. 6.1,6), электронов вправо. Это перемещение осуществляется благодаря механизму диффузии или если в базе имеется электрическое поле, что типично для p-t-R-структур, вследствие дрейфа. Роль р+-1-перехода, представляющего потенциальный барьер, удерживающий дырки в р+-области, а электроны в i-области, состоит в разделении генерированных электронов и дырок, что влечет за собой изменение разности потенциалов между р+- и i-областями, т. е. имеет место фотовольтаический эффект. Во внешней электрической цепи это проявляется двояко: при малых приложенных напряжениях (условно фд=0) фотодиод сам генерирует некоторую ЭДС; при значительных внешних смещениях перемещение фотоносителей ведет к появлению фототока /ф, добавочного к темповому току /т, протекающему через р+-1-«-струк-туру без воздействия излучения. Добавление фототока к основному осуществляется алгебраически, т. е. со знаком «-f» или «- оно может быть заметно, если собственный ток фотодиода мал, т. е. при обратном смещении. Сказанное объясняет вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода (рис. 6.1,е): 1 квадрант - протекание тока, равного ф-f/т~/ф (фотодиодный режим), воздействие излучения существенно; 11 - фотодиод выступает как источник напряжения (фотовентильный режим); 111 - вычитание фототока из прямого тока диода /пр, заметное лишь при малых значениях /пр. В оптоэлектронике применяется фотодиодный режим работы, так как именно при этом достигается высокое быстродействие; фотовентильный режим используется крайне редко, если не считать специальных случаев (в основном солнечные фотопреобразователи). Система параметров и характеристик. К основным параметрам фотодиода, достаточно полно описывающим его как приемник оптических сигналов и как элемент электрической цепи, относятся: 1. Монохроматическая чувствительность 5ф, А/Вт, равная отношению фототока к полной мощности излучения с длиной волны Я, падающей на чувствительную площадку фотодиода: Sф = Iф/PnsniЯ (6-1) Существует еще понятие интегральной чувствительности 5ф.инт= = 5фйХ, где 5ф - спектральная плотность чувствительности, А/(Вт-мкм); однако для оптоэлектронных применений использование этого параметра не имеет смысла. В (6.1) правильнее было бы использовать обозначение 5фг или 5ф(Я), но, поскольку повсюду дальше речь идет лишь о монохроматической чувствительности, индекс Я для простоты опускаем. 2. Темповой ток /т, равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении. 3. Максимально допустимое обратное напряжение f/обр.макс.доп, характеризующее предельные возможности фотодиода при включении в электрическую цепь. 4. Время нарастания (спада) <нр(сп) фототока, определяемое по фронту (срезу) фотоответа (обычно по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока) при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения; иногда в качестве характеристического времени используют параметр Трел - постоянную времени релаксации фотоотклика, при экспоненциальном нарастании и спаде фототока справедливо <нр(сп) = 2,2трел. 5. Граничная частота /гр, определяемая при изменении частоты модуляции оптического излучения по спаду чувствительности 5ф до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении. 6. Емкость фотодиода Сфд, равная сумме зарядной емкости активной структуры и паразитной емкости корпуса; во многих режимах работы именно параметр Сфд, а не <нр(сп) - определяет инерционность прибора. 7. Площадь фоточувствительной площадки А. Однозначность параметров задается режимом их измерения Хизл. Характерная особенность оптоэлектронных фотодиодов - использование в цепях с низковольтными источниками питания (F;, = 5 В); поэтому при изменении параметров величина fyo6p выбирается не выше чем 5.. 10 В, а вообще желательно, чтобы 5ф и <нр(сп) сохраняли свои значения до f/o6p = 0. При использовании прибора в фотовентильном режиме необходимо знать напряжение холостого хода f/xx и ток короткого замыкания /кз (см. § 6.6). В тех редких для оптоэлектроники случаях, когда, не считаясь со снижением быстродействия, от фотодиода требуется высокая чувствительность, необходимо учитывать шумы. Шумы, как известно, представляют собой случайные хаотические флуктуации выходного сигнала фотодиода (и вообще любого прибора), обусловленные статистическим характером протекающих в нем оптических и электронных процессов, а также дискретностью носителей заряда и излучения. Эти флуктуации не могут быть устранены путем введения какой-либо специальной обработки выходного сигнала, т. е. шумы определяют принципиальные предельные возможности прибора. Для характеристики шумов с учетом их специфической зависимости от режима измерения и конструкции фотодиода введен параметр «обнаружительная способность» /3* = Вф-/М /ш. (6-2) где Z)*, см-Вт~-Гц/2; /„, - среднеквадратическое значение шумового тока (/ш=К7лГ); Ц - рабочая полоса частот фотоприемного устройства. Этот параметр - достаточно сложный на первый взгляд - «сконструирован» так, чтобы можно было сравнивать предельные возможности различных по устройству и условиям применения фотоприемников. Использован такой подход. Известно, что составляющие мощности шумов, которые физически не устранимы, пропорциональны полосе частот Д/, т. е. Pш-~/ш~Af. Поэтому, если мы хотим сопоставить по шумам два фотоприемника, работающие в разных полосах частот, разумно сравнивать не 7ш, а 7ш/ Ка/; при равенстве этих величин фотоприемники считают эквивалентными по шумовым свойствам. Мощность шумов пропорциональна У А, следовательно, для сопоставления надо использовать также отношение Тш/УА. Если зададимся единичными значениями У А и YAf, то /ц/Хф будет представлять собой мощность излучения, при которой отношение сигнал-шум равно 1, т. е. своему минимальному значению. Таким образом, обнаружитель-ная способность D* равна величине, обратной пороговой мощности фотоприемника при фоточувствительной площади 1 см и работе устройства в полосе частот 1 Гц. Изменение этой величины при других значениях А и Af задается формулой (6.2). В случае, когда фотоприемник работает не на одной фиксированной длине волны, а в некотором спектральном диапазоне, наиболее полную характеристику дает спектральная зависимость 5ф= =f(X); при необходимости использовать минимум параметров задают значения пороговых длин волн справа и слева Хпор.макс к пор.мин по уровню 0,5 от Хф.ыакс, 3 тзкже величину Лмакс, соответ- СТВуЮЩуЮ значению 5ф = 5ф.макс. Расчетные соотношения. Если поток фотонов Лф, с-, полностью поглощается в базе фотодиода, то темп генерации зарядов составляет riNq .(it - квантовый выхо.д фотоэффекта) и фоточувствительиость определяется выражением * = V--2 = Qr,-, (6.3) где Q - коэффициент собирания носитачей. Так как для кремния практическв всегда ii = l (см. гл. 2), окончатачьно получаем 5ф=0,8СА. (6.4) Это справедливо лишь при Q~i, в противном случае необходимо учитывать конкретные виды функций поглощения фотонов в базе и собирания генерированных носителей: Sф = -~-%jNф(x)Q{x)dx. (6.5) Лф he р Еще сложнее для немонох.роматического .излучения: в этом случае необходимо проводить интегрирование по Я в пределах всего спектра излучения, что непросто, так как существует сильная зависимость Л/ф(х) от X. Возвращаясь к (6.4), отмечаем, что оно справедливо лишь левее красной границы фотоэффекта, т. е. прн л?.гр; при больших л ионизация полупроводника не происходит, г] = 0 и 5ф=0. Если положить, что при всех Я Q=l, то спектральная зависимость Зф(К) вплоть до Хгр будет представлять прямую, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [55] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |