|
| |
|
Слаботочка Книги кое развитие лавинных гетерофотодиодов маловероятно, их альтернативой являются интегрированные структуры, в которых на одном кристалле полупроводника АВ объединены гетерофотодиод и МДП-транзистор. Быстродействие таких структур может быть менее 0,1 НС нри внутреннем усилении около 10. Создание гетеро-ЛФД представляется возможным благодаря развитию техники сверхрешеток. Анализ показывает, что в сверхрешетке можно доводить отношение а-/а+ до 20 и более. МДП-фотодиод (рис. 6.11,г), или фоточувствительная МДП-структура, используется в разных электрических режимах. Одна из таких возможностей характерна для ФПЗС, где излучение преобразуется в заряд неосновных носителей, который накапливается у границы раздела полупроводник - диэлектрик и при необходимости считывается (переносится вдоль поверхности) благодаря; механизму зарядовой связи. Тот же заряд модулирует проводимость приповерхностной области (МДП-канал), что ведет к изменению выходного сигнала МДП-транзистора или сопротивления МДП-фоторезистора. Зарядовый обмен между полупроводником и диэлектриком вызывает поляризацию диэлектрика, сохраняющуюся длительное время и после прекращения действия излучения. Происходит «запоминание» светового сигнала, при оптических или электрических воздействиях записанную информацию можно считывать (см. § 10.-3). Во всех этих случаях МДП-фотодиод выступает как составная часть более сложного прибора. «Чисто фотодиодные» режимы работы МДП-структуры также проявляются в нескольких формах. Фотогенерация и разделение электронов и дырок встроенным полем приповерхностной обедненной области вызывает фотовольтаический эффект. Наведенная фото-ЭДС, как и в случае вентильного режима обычного фотодиода, служит входным сигналом для соответствующей электронной схемы; отличие состоит в том, что, поскольку внутреннее сопротивление МДП-фотодиода бесконечно, входное сопротивление схемы также должно быть велико. Обычно используются схемы, изготавливаемые по МДП-технологии. Тот же эффект фотогенерации носителей проявляется и иным образом, а именно в изменении ширины области пространственного заряда и соответственно емкости структуры, т. е. в форме фотоемкостного эффекта. Работающая в режиме фотоварикапа МДП-структура интересна тем, что удобно встраивается в популярные преобразователи свет - частота, а также характеризуется минимальным уровнем собственных шумов, как и любая почти идеальная реактивность, так как в этом режиме отсутствуют основные источники шума - темновой ток и фототок. Специальные МДП-структуры с очень тонким «туннельно-. прозрачным» диэлектриком пропускают электрический ток и по свойствам близки к фотодиодам с барьером Шотки. Если ди- * Этот термин используется неоднозначно, иногда и для обозначения ие диодных структур (см. стр. ?00). 7* ISS электрик непрозрачен для носителей заряда, то фототок также может протекать через структуру, но лишь в течение времени, необходимого для установления нового равновесного состояния. Иными словами, при работе в импульсном, динамическом режиме МДП-фотодиод генерирует тековые сигналы точно так же, как любой другой фотодиод. Концепция динамическего режима породила и еше более своеобразный МДПДМ-фотодиод, в котором фотоносители, генерируемые в полупроводнике (обычно близком к собственвгаму), пространс-венно растягиваются под действием приложенного напряжения, но из кристалла не выходят, а могут лишь рекомбинировать. Это позволяет получить значительное усиление фототока подобно тому, как это происходит в фоторезисторах. Наконец, МДП-структура может работать в динамическом режиме лавинного умножения фототока: внешнее напряжение подается в виде прямоугольного импульса, а регистрируемый оптический сигнал поступает лишь во время действия импульса. Принципиальное отличие от обычных ЛФД заключается в самостабилизации развития лавины по всей площади фоточувствительной поверхности. Известно, что если повышать напряжение, все больше приближаясь к [/проб, то становятся существенными микроплазменные явления, приводящие к тому, что пробой локализуется в отдельных случайных точках плоскости р-/г-перехода. У МДП-структур при возникновении микроплазмы и увеличении тока напряжение перераспрселяется так, что большая его часть начинает падать на диэлектрике - это предохраняет от стягивания лавины в отдельные точки. Отсюда вытекают два важных следствия: возможность достижения очень высоких значений коэффициента умножения (до МЮ, у обычных ЛФД М=10... ... 10) и создания больших и однородных фоточувствительных площадей (до нескольких квадратных сантиметров). Параметры МДП-фотодиодов, а нередко и просто их работоспособность находятся в очень тесной зависимости от технологического совершенства структуры. Заметим, что несмотря i-a кажущуюся внешнюю простоту изготовить качественную МДП-структуру значительно сложнее, чем р-/г-переход, так как р-п-пе-реход создается внутри монокристалла, а в МДП-элементе взаимодействуют материалы структурно и химически разнородные. Как правило, диэлектрическая пленка получается несплошной, нестехиометрической, содержащей те или иные инородные включения. Особенно «наприятны» ионы щелочных металлов, обладающие заметной подвижностью и вызывающие нестабильность параметров. Структурные и химические изменения в диэлектрике, «миграция» в него металла верхнего электрода, диффузия газов через пленки металла и диэлектрика - все это порождает эффекты старения, деградации, гораздо более сугцественные, чем у обычных МДП-приборов, так как в фотоприборах должны использоваться наиболее тонкие металлические и диэлектрические пленки Повышенные требования предъявляются и к уменьшению плотности быстрых поверхностных состояний на границе диэлектрик- полупроводник: так, для качественных ФПЗС она должна быть снижена до Qss~10-o см- (что почти на порядок меньше, чем в МДП-микросхемах), а для лавинного режима работы и JVf>10 и этого оказывается недостаточно. Характерно, что в условиях сильного поля начинают проявляться такие неидеальности, к которым МДП-микросхемы не чувствительны. Лишь преодоление технологических несовершенств позволит в полной мере использовать все потенциальные достоинства МДП-фотодиодов, которые можно сгруппировать следующим образом: функциональная широта, проявляющаяся в том, что в качестве эквивалента оптической информации в них могут выступать электрический заряд, изменение проводимости канала, поляризация диэлектрика, фото-ЭДС, фотоемкость, постоянный или импульсный фототок; конструктивно-технологическая гибкость, т. е. возможность варьирования гаммой полупроводников, диэлектриков и металлов, «низкотемпературность» большинства процессов, использование монокристаллических планарных и тонконленочных поли-кристаллических структур; высокие значения определяющих фотоэлектрических параметров, возможность изменения их в широком диапазоне: МДП-фо-тодиоды могут работать и в коротковолновой области (как фотодиоды с барьером Шотки), и в длинноволновой (как р-1-/г-струк-туры); наличие диэлектрика позволяет получать- минимальные темповые токи (и, как следствие, малые шумы) и т. п.; физическая, электрическая, технологическая совместимость с биполярным и в особенности с МДП-микросхемами. Последнее обстоятельство, как уже неоднократно подчеркивалось, особенно существенно при создании оптоэлектронных и микроэлектронных устройств высокой степени интеграции. Фототранзисторы. Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями. Они изготавливаются практически только на кремнии. Биполярный фототранзистор (рис. 6.12) реализуется по стандартной технологии производства кремниевых интегральных микросхем и полностью с ними совместим. Конструктивная особенность фототранзистора заключается в наличии фотонриемного окна, через которое излучение, проходя тонкий базовый слой, попадает в коллектор. При включении по схеме с общим эмиттером выходной сигнал 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 |