Слаботочка Книги

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

.ность приемника (в н/изм раз, где н, изм - времена накопления и измерения соответственно) при регистрации слабых сигналов, которая ограничивается токами утечки в цепи исток - затвор, рекомбинацией генерируемых носителей в базе фотодиода, импульсными помехами от «пролезания» управляющего импульса через емкость сток - затвор.

К рассмотренным приборам примыкают и МДП-фоторезисто-ры, фактическое отличие которых от МДП-фототранзисторов состоит в том, что они могут использоваться в любом режиме под-затворного канала, обогащения, обеднения, инверсии.

Гетерофототранзисторы (рис. 6.12,в) основаны на принципе действия обычного биполярного фототранзистора, но в них используются и все достоинства гетероструктур: широкозонные эмиттерное и коллекторное окна (что позволяет создавать конструкции с прямой и обратной - через толстый коллекторный слой - засветкой); тонкая фотоактивная базовая область, полностью поглощающая воздействующее излучение; идеальность гетерограниц, препятствующих просачиванию основных носителей базы в коллектор и накоплению их в нем. Все это ведет к тому, что гетерофототранзисторы могут иметь не только высокую чувствительность в любом заданном участке спектра, но и очень высокое быстродействие (в нано- и субнаносекундном диапазоне). Однако гетерофототранзисторы используются, как правило, лишь в диодном включении (так как вывод от узкой базовой области сделать затруднительно), что лишает их схемотехнической гибкости, присущей транзисторам. По мере усовершенствования и промышленного развития эти приборы станут «соперниками» ЛФД, выгодно отличаясь от них низким питающим напряжением, отсутствием жестких требований к стабилизации режима работы и другими достоинствами, присущими транзисторам.

Фоторезисторы. Фоторезистор (рис. 6.15) представляет собой тонкую полоску полупроводника с омическими контактами на концах; принцип его действия основан на эффекте фотопроводимости (см. § 2.3). Как и рассмотренные ранее фотоприемники, фоторезиетор характеризуется такими параметрами, как фоточув-ствителъность 5ф, коэффициент внутреннего усиления фототока Kr, обнаружительная способность D*; его специфическими парамет-рам1И являются сопротивления в темиовом jRt и засвеченном Ren состояниях, их отношение RJRcb, а также постоянная времени релаксации Трел наведенной фото-лроводимости (измеряемая по спаду либо в е раз, либо до за-

I I

Рис. 6.15. Простейшая модель фоторезистора:

/ - фоточувствительная полупроводниковая пленка: 2 - омические контакты; 3 - диэлектрическая подложка

данного уровня лроводимости). Поскольку фоторезисторы, как н другие фотоприемники в оптоэлектронных случаях применения, используются вдали от порога чувствительности, параметр D* не рассматривается.

Упрощенная теория фоторезистора опирается на следующие допущения:

геометрическая модель представляет собой параллелепипед (см. рис. 6.15);

излучение полностью поглощается в полупроводнике, квантовая эффективность ti=1;

пленка освещена равномерно по площади, генерируемые носители равномерно распределяются по толщине;

поверхностной рекомбинацией и эффектами на контактах (частичной инжекцией или экстракцией носителей и др.) можно пренебречь;

дрейф и рекомбинация в объеме характеризуются некоторыми усредненными постоянными значениями подвижности (цп цр) и времени жизни (ти, Хр);

в засвеченном состоянии реализуется высокий уровень возбуждения (Яф>По, Рф>Ро, ПфЛрф);

полупроводник обладает монополярной проводимостью (для конкретности электронной), т. е. генерируемые дырки сразу же захватываются центрами рекомбинации (математически это означает, что Тп»тр, а Сф = дпф[1п).

При этих условиях легко рассчитываются все статические параметры. Учитывая, что фототок /ф = С/л/?св, где Ur - напряжение,, приложенное к фоторезистору, а Kr= {Ilq):{\INld)-, где - плотность потока квантов, получаем

/(B-;;„f„t;«/c-fj(.p,], (6,6t)

где Ризл - мощность излучения, попавшего на фоторезистор; V= = ldW - объем полупроводника; tup=ll\inUR - время пролета электрона через фоторезистор.

Второе равенство в (6.51) дает физическую интерпретацию»

В этих выражениях интересно следующее. Значения всех параметров тем выше, чем больше произведение \intn, т. е. для фоторезисторов предпочтительнее полупроводники с высокими значениями подвижности и времени жизни носителей заряда. Еще раз отметим, что все это справедливо, когда оптимизация проводится не по параметру D*, а по минимуму рабочего напряжения и потребляемой мощности. Отношение Rt/Rcb 1/V, т. е. выгодно уменьшать объем полупроводника (при Ризл = const); если же постоянная плотность мощности излучения (Р„лз/(М) = const), ToR4RcBl/W. 202

Коэффициент усиления (и соответственно фоточувствительность растет пропорционально однако это не может происходить бесконечно, так как при высоких напряженностях поля в полупроводнике образуется пространственный заряд, а когда он захватывает всю область между контактами, время пролета носителей становится равным времени диэлектрической (максвел-ловской) релаксации Тм и не зависящим ни от Ur, ни от I. Предельное теоретическое значение коэффициента усиления /Сдмакс~ »Тп/тм и для высокоомных полупроводников достигает 10... 10. В невысокоомных полупроводниках ограничение в росте Kr наступает раньше из-за уменьшения подвижности и насыщения

дрейфовой скорости; при этом КдмаксЛТпОмакс , ГДб Умакс -

максимальная дрейфовая скорость.

Имеются и другие факторы, нарушающие линейность (6.49) - (6.51) относительно Ur и Ризл, важнейший из них - разогрев прибора при больших значениях Ur и /ф. Это ведет к снижению Rt и повышению Рев, а также уровня шумов; полуэмпирически установлено, что максимальная рабочая температура фоторезистора в дальней ИК-области

Tr,. =CiEg = CjK (6.52)

где Глмакс, К; Eg, эВ; К, мкм; константы С, = 400... 800, с2 = 500... ... 1000, причем для примесных фоторезисторов значения d, Сг ближе к нижней границе, для собственных - к верхней.

Отметим, что, как и у других фотоприемников, у фоторезисторов 8фК до красной границы фоточувствительности. Постоянная времени релаксации (спада) фотопроводимости после прекращения оптического возбуждения пропорциональна времени жизни электронов, т. е.

Тре.. = СзТ„, (6.53)

где константа Сз зависит от способа задания трел, характера возбуждения и механизма фотопроводимости. Обычно Сз»1. Объединяя (6.51) и (6.53), получаем выражение для добротности (произведение усиления на полосу частот) F фоторезистора

РКн{11тел) = ик~11п1Р; макс=1/Гм- (6-54)

Классическими материалами для изготовления оптоэлектронных фоторезисторов являются CdS и CdSe, для которых в значительной степени справедливы принятые выше допущения. Легирование этих полупроводников медью («очувствление») приводит к резкому возрастанию Хп и снижению Яо. Это вызвано тем, что атомы меди образуют мелкие акцепторные уровни, компенсирующие донорные уровни, изначально присущие CdS, CdSe и вообще полупроводниковым соединениям группы АВ. Спектральные характеристики CdS и CdSe располагаются по краям видимой области спектра (рис. 6.16), поэтому их композиции позволяют перекрыть всю эту область и начало ИК-Диапазона.

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