Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
AlGaAs DH Laser, Appl. Phys. Lett., 34, 637 (1979).
76. Hartman R. L., Schumaker N. E., Dixon R. W. Continuously Operated
AlGaAs DH Lasers with 70 °C Lifetimes as Long as Two Years, Appl. Phys.
Lett., 31, 756 (1977).
77. Lo W., Swets u. E. Room Temperature 4.5 |xm Light Emitting Diodes,
Appl, Phys. Lett., 36, 450 (1980).
78. Holonyak N., Jr., Kolbas R. М., Dupuis R. D., Dapkus P. D. Quantum-
Well Heterostructure Lasers, IEEE J. Quantum Electron., QE-16, 170
(1980),
Глава 13 ФОТОДЕТЕКТОРЫ
13.1. ВВЕДЕНИЕ
Фотодетекторы представляют собой полупроводниковые приборы, которые могут
детектировать оптические сигналы посредством протекающих в них
электронных процессов. Расширение спектрального диапазона излучения
когерентных и некогерентных источников света в дальнюю инфракрасную
область, с одной стороны, и в ультрафиолетовую - с другой, привело к
увеличению потребности в быстродействующих чувствительных фотодетекторах.
В общем случае в фотодетекторе протекают три основных процесса: 1)
генерация носителей под действием внешнего излучения; 2) перенос
носителей и их умножение за счет того или иного механизма усиления тока,
характерного для данного полупроводника; 3) взаимодействие тока с внешней
цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.
Фотодетекторы играют важную роль в волоконно-оптических системах связи
ближнего ИК-диапазона (0,8-1,6 мкм). Они детектируют оптические сигналы,
т. е. преобразуют изменения интенсивности излучения в электрические
колебания, которые соответствующим образом усиливаются и подвергаются
последующей обработке. Фотодетекторы, предназначенные для таких систем,
должны обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне длин волн,
высоким быстродействием и низким уровнем шумов. Кроме того, они должны
иметь малые размеры, низкие управляющие напряжения или токи, а также
высокую надежность в работе.
Быстродействующие фотодетекторы рассмотрены в работах [1-3]. В работе [4]
имеется исчерпывающий обзор инфракрасных фото детекторов, в котором
подробно рассмотрены лавинные фотодиоды [51. Вопросам использования
фотодетекторов в составе волоконно-оптических систем связи посвящена
работа [6].
13.2. ФОТОРЕЗИСТОР
Фоторезистор представляет собой пластину полупроводника (монолитную или в
виде тонкой пленки), на противоположных концах которой созданы омические
контакты (рис. 1). При падении излучения на поверхность фоторезистора в
последнем генерируются носители вследствие возбуждения либо междузонных
переходов (собственное возбуждение), либо переходов с участием
Глава 13
ho
Рис. 1. Фоторезистор, состоящий из пластины полупроводника с омическими
контактами.
энергетических уровней в запрещенной зоне (примесное возбуждение), что
приводит к увеличению проводимости. Процессы собственного и примесного
фотовозбуждения носителей схематически показаны на рис. 2.
Проводимость собственных фоторезисторов описывается формулой о = q (\inn
-f* \avp), и увеличение проводимости под действием освещения в основном
связано с увеличением числа носителей. Длинноволновая граница
фотопроводимости в этом случае определяется из соотношения
he
~б7
1,24
Eg (эВ) ' М
где %с - длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны Eg.
Излучение с длинами волн, меньшими Лс, поглощается в полупроводнике с
образованием электронно-дырочных пар.
Собственное
поглощение
Примесное
поглощение
Рис. 2. Процессы собственного (зона - зона) и примесного фотовозбуждения,
Фатодетскторы
341
В примесном фоторезисторе фотовозбуждение может происходить между краем
зоны и энергетическим уровнем в запрещенной зоне. Фотопроводимость может
возникать в результате поглощения фотонов с энергией, которая равна или
превышает энергию, отделяющую примесный уровень от зоны проводимости или
валентной зоны. При этом длинноволновая граница фотопроводимости
определяется глубиной залегания примесного уровня в запрещенной зоне.
Работа фотодетекторов вообще и фоторезисторов в частности характеризуется
тремя параметрами: 1) квантовой эффективностью или усилением, 2) временем
фотоответа и 3) чувствительностью (обнаружительной способностью).
Рассмотрим сначала процессы, протекающие в фоторезисторе при воздействии
излучения (рис. 1). Пусть в какой-то начальный момент времени t - 0 число
носителей, возникших в единице объема за счет генерации потоком фотонов,
равно п0. В последующие моменты времени t число носителей в том же объеме
уменьшается за счет рекомбинации по закону п =* щ exp (-ttт), где х -
время жизни носителей. Другими словами, скорость рекомбинации равна 1/т.
Если поток фотонов постоянен и распределен равномерно по поверхности
фоторезистора с площадью А = WL, то общее число фотонов, падающих на
поверхность в единицу времени, равно Popt/hv, где PQet - мощность
падающего излучения и hv - энергия фотона.
В стационарном состоянии скорость генерации носителей должна быть равна
скорости рекомбинации. Если толщина прибора D значительно больше, чем
