|
| |
|
Слаботочка Книги Здесь W -толщина базовой области; Z)p(n) - коэффициент диффузии дырок (электронов); JVa(d) - концентрация акцепторов (доноров) в базе; е, ео - соответственно диэлектрическая проницаемость полупроводника и вакуума (8,86-10~" Ф/см); А - площадь р-«-перехода. В порядке пояснения этих формул отметим: в базе р-i-«-фотодиода определяющим является дрейф носителей; гетероструктуры реальных излучателей по емкостным свойствам практнчески подобны гомоструктурам с резким р-га-переходом; база излучателя имеет р-проводимость, фотоприемника - га-проводнмость; емкость излучателя определяется нрн прямом (нлн нулевом) смещении, емкость приемника - при обратном. Предельные (наилучшие) значения параметров гальванической развязки (определения см. § 2.1) определяются простыми формулами Уразв таж=£им нрй?; /?развРнм (й/мзл); Сраав =*5Лизл(8жмео/Й). Реально достижимые (н тем более гарантируемые) значения этих нараметров значительно уступают предельным. Причинами этого являются: пробой по воздушному окружению, концентрация поля иа остриях и неоднородиостях, недостаточно определенное положение проволочных выводов, наличие поверхностных загрязнений, пробой между деталями корпуса, паразитная емкость н утечка но корпусу и т. п. 1.4. РАЗНОВИДНОСТИ АКТИВНЫХ ОПТРОННЫХ СТРУКТУР Полученные в предыдущем параграфе соотношения полезны для расчета не только диодных, но и других оптронов. Основными разновидностями фотоприемников с р-п-переходом, используемых в оптронах, являются фототранзистор, составной фототранзистор («фото-дар-лингтон»), фототиристор (рис. 1.17,0-в). Все они относятся к приборам с внутренним усилением, т. е. кроме эффекта преобразования оптического излучения в электрический ток имеет место еще и усиление фототока. Несмотря на важные и очевидные различия между эти.ми фотоприемниками, для всех них справедливы некоторые общие положения. 1. В полупроводниковой структуре может быть выделена некоторая область, подобная фотодиоду, например освещаемая часть площади коллекторного р-и-пе-рехода фототранзистора на рис. 1.17,а или часть центрального коллекторного р-п-перехода фототиристора на рис. 1.17,е. Тем самым электрическая эквивалентная схема фотоприемников с внутренним усилением сводится к комбинации фотодиода и одного или нескольких транзисторов.  2. Токовая фоточувствительность возрастает в Вэкраз по сравнению с чувствительностью эквивалентного фотодиода 5д,эк (Вэк -коэффициент усиления транзисторной части эквивалентной схемы). Во столько же раз уменьшается выходное сопротивление фотоприемника, поэтому достижимая вольтовая чувствительность не изменяется по сравнению с эквивалентным фотодиодом [17]. 3. Постоянные времени, характеризующие инерционность приборов в режиме переключения, возрастают в Вэк раз по сравнению с постоянными времени эквивалентного фотодиода; во столько же раз уменьшается граничная частота frp [17]. 4. Определяющие параметры эквивалентного фотодиода 5дэк и frp эк(дд эк) уступают тем же параметрам аналогичного дискретного фотодиода. Это обусловлено принципиальными затруднениями в оптимизации геометрических и электрофизических характеристик структуры, что, в свою очередь,связано с необходимостью изготовления фотодиодной и транзисторной областей в едином процессе на одном кристалле. 5. Если по аналогии с обычными р j . транзисторами за обобщенный по- рыфотоприемниТвс казатель качества фототранзистора внутренним усилени-прннять произведение S/rp, то с уче- ем; фототранзистор том положений пп. 2 и 3 полу- составной фото- ,j - транзистор (б), фото-  8) и f 3 н  тиристор (в), фотодиод-транзистор (г) дэк* 1аким образом, с учетом сказанного в п! 4 следует за-приемк;™ б°б"««ьгй показатель качества/ фо?о-приемника с внутренним усилением не может быть по-ливаемпгГ""" У дискретного фотодиода, изготав-•"иваемого на тси же физико-технологической основе. 6. Фотоприемники с внутренним усилением уступают фотодиодам при работе в фотовентильном режиме: ни Uxx, ни /кз (которые у фототранзистора меньше, чем у аналогичного дискретного фотодиода) не усиливаются. 7. В фотоприемнпках с внутренним усилением ухудшаются (по сравнению как с теми же приборами без фоточувствительного окна, так и с фотодиодами) важные эксплуатационные характеристики, такие, как температурная и Временная стабильность параметров, стойкость к эффекту dU/dt (для фототиристоров), сужается диапазон линейности преобразовательной характеристики, возрастает уровень шумов. Отмеченные недостатки фотоприемников с внутренним усилением удается в значительной мере преодолеть при использовании такого конструктивно-технологического решения, при котором части эквивалентной схемы рис. 1.17 (фотодиодная и усилительная) физически разносятся в отдельные области кремниевого кристалла, так что каждая из них может оптимизироваться почти независимо от другой. Схема одного из таких фотоприемников - диодно-транзисторного - представлена на рис. 1.17,2. Благодаря высокой фоточувствительности, возможности работы без последующих согласующих каскадов, функциональной полноте и схемотехнической гибкости фотонриемники с внутренним усилением (в первую очередь фототранзисторы и фототиристоры) находят в оптронах самое широкое применение. Разнообразны и светодиодные излучатели, используемые в оптронах, хотя это разнообразие носит не функциональный, а конструктивно-технологический характер. Поскольку особую роль здесь играют гетеросветодиоды, рассмотрим их структуру подробней. Гетеропереход представляет собой границу внутри полупроводникового монокристалла, разделяющую две области с различными составами полупроводника и соответственно с различной шириной запрещенной зоны [18, 19]. На рис. 1.18 представлены энергетические диаграммы двух наиболее распространенных типов светодиодов с одинарной (ОГС) и двойной (ДГС) гетероструктурой. В ОГС имеется ишрокозонный эмиттер и узкозонная база (р-«-переход), в ДГС -еще и дополнительный запирающий широкозонный слой того же, что и база, типа проводимости (изотипный гетеропереход). По сравнению с обычными р-«-"переходами гетероструктуры обладают двумя важными отличительными особенностями. Первая - односторонняя инжекция. Скачок потенциала на границе представляет собой потенциальный барьер для дырок в базовой области, поэтому при приложении прямого смещения имеет место только инжекция электронов из эмиттера в базу. В ДГС второй по- n ---Ч t Рис. 1.18. Энергетические диаграммы одинарной (а) и двойной (б) гетероструктур: / - подложка; 2 - широкозонный запирающий слой; 3 -узкозонвая база; 4 - широкозонный эмиттер, j,-уровень Ферми тенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, обеспечивает их локализацию и тем самым повышает быстродействие диода. Характерно, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей (как это имеет место в р-л-переходе) и может сохраняться до очень значительны.х плотностей тока. Таки.м образом, односторонняя инжекция, возможность локализации избыточных зарядов в узкозонной базовой области, «зажатой» между двумя широкозонными областями, возмож-ность~ произвольного варьирования степенью легирования в различных областях без ухудшения инжектирующих свойств р-л-переходов - вот что прежде всего дает использование гетероструктур. f Вторая отличительная особенность гетероструктур- резкое различие оптических свойств различных областей кристалла. Оно проявляется прежде всего в том, что длина волны излучения, генерируемого в узкозонной базе, лежит правее «красной границы» поглощения эмиттерной области. В связи с этим говорят об эмиттере как о широкозонном «окне», через которое излучение выводится из светодиода практически без поглощения. Кроме того, в усовершенствованных ДГС-излучателях с удаленной подложкой оказываются существенными многопроходные эффекты и явления нереизлучення. Лучи света, претерпевающие на внешней границе таолное внутреннее отражение, многократно отразившись от разт личных граней кристалла, в конце концов падают на внешнюю границу -под таким углом, который разрешает их выход наружу. Естественно, что многопроходные эффекты возможны лишь в том случае, если поглощение в кристалле незначительно. Самопоглощение в узкозонной базе также удается несколько ослабить за счет эффекта переизлучения: поглощение кванта света ведет к новому акту излучения. Таким образом, особенности электрических и оптических свойств гетероструктур открывают широкие возможности улучшения основных параметров излучателей-эффективности и быстродействия, но реализовать эти возможности не всегда удается достаточно просто. Оказалось, что для получения качественного гетероперехода необходимо иметь высокую степень совпадения структурных характеристик по разные стороны от границы: различие постоянных кристаллических решеток не должно превышать 0,1 ... 0,01%. Близкими должны быть и коэффициенты термического рас-ширения. В тех же случаях, когда эти условия не выполняются, высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит на нет все его физические преимущества. Типичными и наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры в тройном соединении вида Gai-xAlxAs [20]. Это соединение получается путем замещения в кристалле GaAs части атомов галлия алюминием. По мере увеличения доли х замещенных атомов ширина запрещенной зоны изменяется от &g\,A эВ (для чистого GaAs) до g~2,\ эВ (для чистого AlAs), причем вплоть до x~Q,A, что соответствует g~l,9 эВ, энергетическая диаграмма полупроводника остается пря-мозонной. Изготавливают гетероструктуры методом жидкофазной эпитаксии. На примере ОГС типа GaAlAs это вы-  Рис. 1.19. Внешний вид кристалла ОГС-излучателя глядит так. На подложку из арсенида галлия, помещенную в специальную кассету в нагретой кварцевой трубе, выливают расплавленную шихту, содержащую галлий, алюминий и германий (являющийся акцепторной примесью). Спустя некоторое время на подложке вырастает эпитакснальный слой GaAlAs р-типа проводимости. Остатки шихты удаляют и, не вынимая пластины из печи, на нее выливают расплав шихты, содержащий большое количество алюминия и теллур (или олово) в качестве легирующей примеси. Так выращивается эпитакснальный слой широко-зонного эмиттера «-проводимости. Основными типами излучателей, используемых в отечественных оптронах, являются [21]: - одинарная гетероструктура (ОГС) на основе тройного соединения GaAlAs; - двойная гетероструктура (ДГС) на основе того же соединения; - мезаструктура на основе гомоперехода в арсениде галлня, легированном кремнием. При изготовлении на арсенидогаллиевой подложке р-типа ОГС-излучателя, (рис. 1.18,а) выращиваются последовательно два слоя Gai-j:AlxAs: - базовая область р-проводимости с ;с«0,05 (соответственно g~l,46 эВ и ?1изл~860 нм) относительно большой толщины (20 . .. 30 мкм); - шпрокозонный эмиттер «-проводимости с лг~0,1 (ffg-lfi эВ). Оптимальные параметры излучения и быстродействия достигаются при легировании базовой-и эмиттерной областей до концентраций (1 ... 2) Юсм-* и (0,5 ... 2) 10 см- соответственно. Омический контакт к подложке изготавливается по всей поверхности кристалла, контакт к эмиттеру - в виде небольшого металлизированного пятна (рис. 1.19). г Площадь кристалла близка к 1,5-Ю-з см. Выбранная конструкция обеспечивает одностороннюю инжекцию дырок в базовую область, их эффективную излучатель- ную рекомбинацию (основной источник безызлучатель- 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 |