РІЗНОВИДИ ФОТОПРИЙМАЧІВ ВИПРОМІНЮВАННЯ.

Крім розглянутих фотоприймачів (фоторезисторів, лавинних і р-1 -л фотодіодів), широко використовуються такі фотоприймачі, як фотодіоди з р -л переходом, з контактом метал-напівпровідник, Гетерофотодіоди, МДП-фотодіоди, фототранзистори, фототиристори і ін.

Фотодіоди з р-п-переходом (р-п-фотодіоди). За своїми властивостями, що відбувається в них процесів, влаштуванню, областям

застосування, по використовуваних параметрах р -л фотодіоди багато в чому аналогічні р - I -п диодам. Пристрій приладів цього типу зрозуміло з рис. 16.23. На відміну від р - / - л-фотодіода в щодо товстої л-базі р -л-фотодіода домінують дифузійні процеси, що призводить до більшої інерційності і зниження фоточутливості. В ІК діапазоні фоточутливість р -л-фотодіодів може бути на порядок гірше, ніж у р-1-п- приладів. Ці недоліки істотно обмежують застосування р-л-фотодіодів в оптоелектроніці. До незаперечних переваг цих приладів можна віднести простоту виготовлення, підвищену однорідність параметрів виготовлених структур через використання низкоомной однорідної напівпровідникової пластини, повну сумісність технології виготовлення кремнієвих р-л фотодіодів з технологією мікросхем. Остання обставина дозволяє створювати інтегральні фотоприемники, що представляють собою мікросхему, де спільно з фотодиодом на тому ж кристалі виготовляються високочастотні транзистори, операційні та ключові підсилювачі, порогові схеми і т. Д. Використання стандартної технології забезпечує низьку вартість фоточутливих мікросхем, практично рівну вартості дискретних приладів, при високій чутливості, швидкодії і температурної стабільності. Такі схеми мають дуже широкими функціональними можливостями і перспективні в мікроелектронних оптичних пристроях.

Фотодіоди з бар'єром Шотткі Використовуються в якості високоефективних фотодетекторов, що володіють малою інерційністю в видимої і УФ областях спектру. Основні фізичні процеси, що протікають при контакті метал-напівпровідник, були розглянуті в п. 2.6. Типова структура фотодіода з бар'єром Шотткі зображена на рис. 16.24. Тут 1 - металлі-

Мал. 16.23

Мал. 16.24

етичні контакти; 2 - покриття, що просвітлює з плівки ZnS, Ею і ін .; 3 - тонкий напівпрозорий шар металу; 4 - окис кремнію 8Ю 2 ; 5 - дифузійне охоронне кільце р * -типу.

У порівнянні з р - "або р - / -" структурами металева плівка, що забезпечує контакт з напівпровідником "типу, володіє значно меншим послідовним опором, ніж в разі дрібного л + -" переходу у перерахованих структур. Менше послідовний опір дає і менші втрати. Крім того, паразитное поглинання короткохвильового (УФ) випромінювання в тонкій (~ 10 ~ 6 см) напівпрозорої плівці менше, ніж в більш товстої р ' -області. Все зазначене, а також простота виготовлення і широкий вибір можливих матеріалів (як металів, так і напівпровідників) безсумнівно є достоїнствами цих приладів. З напівпровідників в фотодиодах Шотткі використовують 81, Се, СААВ, СаАеР, 1пр, СС18, РЬв, РЬве і ін., А з металів - Аі, Лg, РЬ, Сі, Мо, N1, У, Сг, 8п, 'п, Се і ін. Прилади розглянутого типу добре сумісні технічно і фізично з інтегральними структурами, що є істотним їх гідністю.

Для видимої і УФ областей спектра коефіцієнт поглинання в найбільш поширених напівпровідниках дуже великий (> 10 5 см ! ), А ефективна глибина поглинання мала (1 / а <<0,1 мкм), тому відповідним підбором металу і просветляющего покриття домагаються, щоб падаюче випромінювання в основному поглиналося поблизу поверхні напівпровідника. Плівка з золота товщиною ~ 10 ~ 6 см пропускає понад 95% падаючого випромінювання, а при товщині ~ 5 * 10 6 см коефіцієнт пропускання знижується до 30%. Квантова ефективність кращих приладів у видимому і УФ діапазонах коливається в межах 20 ... 70%, час наростання фотооткліка ~ 10 ~ 10 с.

Фототранзистори і фототиристори. Біполярні і польові транзистори, а також тиристори, розглянуті відповідно до гл. 4-6, при відповідній конструктивної модифікації можуть виконувати роль фотоприймачів. Характерною особливістю цих приладів є наявність високого коефіцієнта внутрішнього посилення, що забезпечує і високу чутливість. Однак ці фотоприемники відрізняються в порівнянні з фотодіодами більшою інерційністю і конструктивною складністю.

Розглянемо основні процеси в біполярному фототранзисторі, який зазвичай включається в електричне коло за схемою з загальним емітером (Е). Фототранзистор може працювати в режимі як з плаваючою базою р, коли її електричний ланцюг розірвана, так і при наявності базового струму як звичайний біполярному транзистору. Специфічним є режим з плаваючою базою, тому подальший розгляд буде-стосуватися саме його. При наявності напруги між колектором п і емітером п ' і під час відсутності опромінення в ланцюзі колектора буде протікати темнової струм. В цьому випадку емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному. Напруга колектор-емітер розподілено між цими двома переходами, причому переважна частина падає на колекторному переході, а на емітерний падіння напруги незначно. Тому і ток інжекції через цей відкритий перехід, і темнової струм / т в ланцюзі колектора будуть також малі.

При висвітленні транзистора світлом в його базової і колекторної областях генеруються електронно-діркові пари, які поділяються полем колекторного переходу аналогічно тому, як це відбувалося в фотодиодах. Електрони рухаються в область колектора. Дірки, фотогенерованих в базі, і ті, які приходять в базу з колектора, знижують потенційний бар'єр на емітерний перехід, що викликає додаткову инжекцию електронів в базу. Зі збільшенням інтенсивності світлового потоку Ф зростає число генерованих фотоносіїв і, відповідно, збільшується колекторний струм, що добре видно з вихідних ВАХ біполярного фототранзистора. Загальний колекторний струм

де 1 ке0 - ТОК У колектор-емітерний ланцюга при Ф = О, Л 2 1Е - коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ (див. п. 4.4).

Оскільки Л 2 1е = Р ^ 1 * ефективний квантовий вихід фототранзистор в (1 + Л 21Е ) разів більше квантового виходу фотодіода (зазвичай на 1 ... 2 порядки), роль якого в фототранзисторі виконує перехід база-колектор. Якщо в ланцюзі бази протікає струм від зовнішнього джерела (на базу подано зміщення), цей струм додається до току / ф і загальний колекторний струм зростає. Біполярні фототранзистори поєднуються з іншими інтегральними приладами. Це можна яскраво проілюструвати на прикладі складеного транзистора, пристрій і схема якого представлені відповідно на рис. 16.26, а, б, де 1 - антіотражающее покриття, 2 - захисний оксид, 3 - металевий контакт, 4 - БЮ 2 . Транзистор У ^ функціонує як звичайний біполярний фототранзистор. Струм інжекції транзистора У ^ є одночасно вхідним струмом транзистора УТ 2 , що значно підвищує загальний коефіцієнт

Мал. 16.26

посилення. У складеному транзисторі коефіцієнт посилення досягає значень 10 3 ... 10 4 . Велика ємність база-колектор в біполярних фототранзисторах обмежує їх швидкодія, яке знижується при збільшенні посилення за рахунок зворотного зв'язку. Типові часи перемикання: для фотодіодів ~ 10 _8 с, для біполярних фототранзисторів 5 * 10 _6 с, для складових фотоприймачів 5 • 10 ~ 5 с.

Фототиристори. Пристрій і принцип дії Фототиристори багато в чому аналогічні пристрою і принципу дії звичайних тиристорів і їх різновидів, описаних в гл. 5. Відмінна особливість пристрою Фототиристори - наявність напівпрозорого вікна в області бази з керуючим електродом УЕ (рис. 16.27, а й б). Освітлення Фототиристори призводить до генерації електронно-діркових пар в базі і в переході П 2 . Перехід П 2 розділяє електрони і дірки аналогічно колекторного переходу фототранзистор і переходу фотодіода. Надлишкові носії підсилюють механізм зворотного зв'язку тиристора, що призводить до перемикання його із замкненого стану у відкрите при менших анодних напругах, аналогічно тому, як це відбувається при наявності керуючого струму в звичайному тиристори. ВАХ Фототиристори повністю аналогічні характеристикам триодного Фототиристори (див. Рис. 5.1, в), де в якості параметра замість струму керуючого електрода виступає потужність світлового потоку або будь-який інший параметр, що характеризує інтенсивність падаючого випромінювання. Фототиристори використовуються в основному в пристрої силової автоматики і потужнострумової електроніки, так як дозволяють перемикати великі струми і напруги при опроміненні їх світловими сигналами малої інтенсивності.

Мал. 16.27

Чутливість Фототиристори не гірше, ніж у складових біполярних фототранзисторів, а швидкодія Фототиристори (10 -5 ... 3 • 10 5 с) навіть дещо краще.

Польові фототранзистори. Структура кремнієвого МДП-транзистора представлена на рис. 16.27, в, де І - витік; З - стік; П - підкладка; 3 - затвор. Випромінювання через напівпрозорий електрод затвора проникає в область каналу і підкладки р-типу. Генеровані носії поділяються електричним полем каналу: електрони надходять в канал, збільшуючи його провідність, а дірки витісняються в підкладку. Збільшення провідності каналу під дією світла призводить до зміни порогового напруги на затворі і крутизни характеристики. Вихідний сигнал, що знімається з резистора, включеного в ланцюг стоку, пропорційний фотострумів в процесі опромінення.

Якщо МДП-фототранзистор працює в ІК діапазоні, то зазвичай використовується ефект не власного, а примесного поглинання. В цьому випадку р-підкладка легується индием і бором. Бор дає невеликий акцепторні рівень, т. Е. Рівень, розташований близько до кордону валентної зони, а індій утворює глибокий акцепторні рівень, розташований вище межі валентної зони на 0,16 еВ. Якщо позитивний потенціал на затворі (див. Рис. 16.27, в) більше порогового, то відбувається утворення каналу. Все домішкові центри (рівні) захоплені дірками і нейтральні. Під дією ІК випромінювання з енергією фотонів, достатньої для іонізації атомів індію, дірки переходять в валентну зону і утворюються негативні іони акцепторів (в основному в поверхневому шарі, т. Е. Недалеко від кордону каналу в збідненої області). Сумарна щільність негативного об'ємного заряду в збідненої області збільшується, змінюється ширина переходу на кордоні каналу і підкладки, що, в свою чергу, модулює провідність каналу і змінює струм стоку. Ці зміни пропорційні величині світлового потоку і, відповідно, фотострумів. При використанні замість індію інших домішкових атомів можна змінювати спектральну характеристику приладу, отримуючи максимум чутливості в необхідному спектральному діапазоні.

Досить поширений варіант польового МДП-транзистора, що складається з р- я-переходу Істоковий області і МДП- транзистора. Характерним конструктивною відмінністю приладу цієї модифікації від звичайного МДП-транзистора є

наявність розвиненої площі витоку, яка опромінюється світлом, т. е. в цьому випадку перехід витік-підкладка виступає як р -л фотодіод, фототок якого посилюється МДП-транзистором. Крім того, фото-ЕРС р -л-переходу змінює пороговий потенціал затвора, і вся сток-затворна характеристика зміщується, збільшуючи струм стоку. Такий інтегральний приймач може працювати в режимі накопичення заряду. В цьому режимі перехід витік-підкладка виступає в ролі р-п фотодіода, і на ємності цього фотодіода, т. Е. Ємності переходу витік-підкладка, накопичується заряд, а сам МДП-транзистор працює в ключовому режимі. У нормальному стані в МДП-транзисторі канал не сформований і ключ на МДП-транзисторі розімкнути. Під час зчитування на затвор подається короткий імпульс, який формує канал, ключ замикається і знімається з опору в ланцюзі стоку вихідний сигнал буде пропорційний заряду, накопиченого на ємності р -л-пере- ходу витік-підкладка (ємності фотодіода). Такий режим дозволяє значно підвищити чутливість фотоприймача. Виграш в посиленні збільшується приблизно в * н / * вим раз, де £ н - час накопичення заряду, що дорівнює часу освітлення транзистора; t VlЗM - час вимірювання, яке становить величину порядку тривалості імпульсу зчитування, коли ключ замкнутий.

МДП-транзистори дуже перспективні за рахунок простоти технології виготовлення і можливості широкого використання в багатоелементних фотоприймачах великій мірі інтеграції.

Існує ще досить багато різних видів фотоприймачів, до яких можна віднести біполярні і польові гетерофототранзістори, Гетерофотодіоди, одноперехідні фототранзистори, діоди Ганна, МДП-фотодіоди і т. Д. Однак всі ці прилади мають в тій чи іншій мірі обмежене застосування і тут не розглядаються.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >