Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
К полупроводникам относят электронные проводники, электросопротивление которых при Т = 300 К лежит в пределах от 1Q0-2 до 1Q09 ОмИм. Таким образом, полупроводники по сопротивлению находятся между хорошими проводниками (~ 1Q0-6 ОмИм) и изоляторами (от ~ 1Q014 до 1Q022 ОмИм).
При абсолютном нуле (Т = 0 К) чистые и идеальные кристаллы большинства полупроводников должны быть изоляторами; их характерные полупроводниковые свойства обнаруживаются при тепловом возбуждении и наличии примесей или дефектов.
Собственная проводимость. Если исключить область сверхнизких температур, полупроводники высокой степени чистоты часто обнаруживают так называемую собственную проводимость, которую следует отличать от примесной проводимости менее чистых образцов. В связи с этим введем еще понятие температурной области собственной проводимости как области температур, где на электричес-
20 кие свойства полупроводника наличие в кристалле примесей существенно не влияет.
E
л
Пустая зона проводимости
На рис. 3.1 приведена схема электронных энергетических зон, объясняющая возникновение собственной проводимости. При Т = 0 К проводи- /Заполненная мость отсутствует. валентная зона Состояния валентной зоны
Запрещенная зона ^t
/ / / / /
Уровень "Ферми" ~
заполнены, все состояния Рис. 3.1
зоны проводимости свободны.
По мере увеличения температуры проводимость увеличивается вследствие теплового возбуждения электронов, приводящего к переходу этих электронов в зону проводимости, где они могут двигаться, а на их месте в валентной зоне остаются положительно заряженные "дырки". При наличии электрического или магнитного поля "дырки" могут двигаться аналогично электронам, но в противоположном направлении. В чистом полупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость. Так ведут себя чистые германий и кремний.
При температурах ниже области собственной проводимости электрические свойства полупроводника определяются примесями. В этом случае говорят о примесной, или несобственной проводимости.
Валентные электроны могут получить от падающих фотонов энергию, достаточную для образования электронно-дырочных пар. В результате под воздействием фотонного потока меняется проводимость. Такие ПИ называются фотосопротивлениями.
Как и в случае с ПИ, основанными на внешнем фотоэффекте, существует длинноволновая граница, за которой энергия фотона недостаточна для создания пары. Пороговая длина волны
1 24
?c = 1A (3.7)
cE Eg
где Еg - ширина запрещенной зоны, эВ.
Все известные ПИ с собственной проводимостью имеют Eg ? 0,18 эВ
(при Т = 300 К). Соответственно, ^c ? 7,0 мкм. Полупроводники с соб-
21 ственной проводимостью: кремний; германий; сульфид свинца; селенид свинца; арсенид индия; антимонид индия.
Для сдвига порога в сторону более длинных волн необходимы материалы с более узкой шириной запрещенной зоны. Обычным способом понижения Eg является легирование основного материала другими материалами (в небольших количествах), а полученные материалы называются несобственными, или примесными.
В несобственных материалах проводимость, по существу определяется лишь одним типом носителя - электронами в материале n-типа и дырками в материале р-типа.
3.3. Фотовольтаические приемники, или приемники с ^-«-переходом
Фотовольтаический ПИ содержит p-n-переход, образованный в примесном полупроводнике (рис. 3.2), где Ef - уровень Ферми; Na - концентрация акцентеров; Nd - концентрация доноров; w - зона объемного заряда.
На рис. 3.2 на p-n-переход не подано смещения. При подаче обратного смещения Ц.мобр (рис. 3.3) энергетическая диаграмма видоизменяется, а E17 оказывается ниже в n-зоне.
Передний контакт
22
Рис. 14.4 Вольт-амперная характеристика фотовольтаического ПИ, экранированного от падающего излучения, показана на рис. 3.4 (кривая 1).
Падающее излучение смещает эту кривую в положение 2, появляется фо-тоэдс E . Из этих графиков ясно, что при эксплуатации такого ПИ положение рабочей точки может выбираться в широком диапазоне значений напряжения смещения. Если выбирать в качестве рабочей точку А, то падение напряжения на ПИ соответствует режиму разомкнутой цепи. В этом случае параллельно с ним можно включить вольтметр с большим сопротивлением и измерять на нем падение напряжения, соответствующее мощности падающего потока излучения. Если нагрузить ПИ на регистрирующее устройство с малым сопротивлением (амперметр), то рабочей точкой будет точка В - режим короткого замыкания.
Наконец на ПИ может быть подано обратное смещение (точка С); ПИ становится высокоомным элементом, и напряжение сигнала снимается с нагрузочного сопротивления, включенного последовательно с ПИ.
Фотовольтаические ПИ обладают максимальной чувствительностью, когда они работают в режиме короткого замыкания при нулевом напряжении смещения (рабочая точка В). Фотовольтаический ПИ является самогенерирующим устройством, которое не нуждается в источнике питания. Можно показать, что теоретически шумы фотоволь-таических ПИ ниже шумов фотосопротивлений примерно на 40 %. Это связано с тем, что в фото сопротивлении генерационно-рекомбинацион-ный шум (ГРШ) создают носители обоих знаков, а в фотовольтаичес-ких ПИ - только одного.
