Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
(П)
где с - скорость света и U hvikT. На рис. 4 представлены также некоторые
типичные значения D* для таких фоторезисторов, как CdS, PbS, InSb,
германий, легированный никелем (Ge-Ni), кремний, легированный фосфором
Si-Р [4, 7 ] (энергетические уровни примесей см. в гл. 1). Отметим, что
для детектирования излучения в среднем, дальнем и сверхдальнем ИК-
диапазонах фоторезисторы охлаждаются до низких температур (77 и 4,2 К).
При таких температурах уменьшаются тепловые эффекты, вызывающие
термическую ионизацию и опустошение энергетических уровней, и
увеличиваются усиление и эффективность детектирования. На длинах волн
вблизи 0,5 мкм наиболее высокой чувствительностью обладает фоторезистор
на CdS, в то время как при А, = 10 мкм предпочтительны фоторезисторы на
HgCdTe [13 ]. Для детектирования излучения в диапазоне длин волн 100-400
мкм лучше всего выбрать фоторезистор на GaAs [14], так как он
Фотодетекторы
345
имеет большие значения D*. Данный фоторезистор обладает широким
динамическим диапазоном и вследствие этого может обеспечить хорошие
характеристики детектирования сигналов высокой интенсивности. Однако для
детектирования слабых сигналов в микроволновом диапазоне частот фотодиоды
обеспечивают большее быстродействие и сравнительно более высокое
отношение сигнал/шум. Таким образом, применение фоторезисторов в качестве
высокочастотных оптических демодуляторов, например смесителей мощных
оптических сигналов, ограниченно. Вместе с тем они широко используются
для детектирования в инфракрасной области спектра, особенно на длинах
волн выше нескольких микрометров, где, несмотря на интенсивную работу,
пока еще отсутствуют удовлетворительные альтернативные варианты методов
детектирования.
13.3. ФОТОДИОД
13.3.1. Общий анализ
В фотодиоде имеется обедненная область полупроводника с сильным
электрическим полем, в котором происходит разделение электронно-дырочных
пар, возбужденных под действием света. Для работы фотодиода на высоких
частотах необходимо обеспечить малые времена пролета, поэтому обедненная
область должна быть тонкой. С другой стороны, для увеличения квантовой
эффективности (число фотогенерированных электронно-дырочных пар,
отнесенное к числу падающих фотонов) обедненный слой должен быть
достаточно толстым, чтобы обеспечить поглощение большей части падающего
излучения. Таким образом, существует взаимосвязь между быстродействием и
квантовой эффективностью.
Фотодиод может работать в фотовольтаическом режиме, характерном для
солнечных батарей (гл. 14) - несмещенный диод подсоединяется к
нагрузочному сопротивлению. Однако конструктивно фотодиод существенно
отличается от солнечной батареи. В работе фотодиода определяющую роль
играет лишь излучение, сосредоточенное в узком интервале длин волн в
центре оптического диапазона, а солнечные батареи должны обладать высокой
чувствительностью в широком диапазоне длин волн солнечного излучения.
Фотодиоды имеют малые размеры, необходимые для минимизации емкости
перехода, тогда как солнечные батареи относятся к приборам с большой
площадью. Одной из наиболее важных характеристик фотодиодов является
квантовая эффективность, тогда как качество солнечных батарей в основном
оценивается по эффективности преобразования мощности (мощность,
выделяемая на нагрузке, отнесенная к мощности падающего солнечного
излучения).
346
Глава 13
При работе в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах диоды обычно
смещаются в обратном направлении g помощью сравнительно большого
напряжения, чтобы уменьшить время пролета носителей и снизить емкость
перехода. Напряжение смещения, однако, не настолько велико, чтобы вызвать
лавинный пробой. Этим ограничением на величину смещения отличаются
рассматриваемые фотодиоды от лавинных фотодиодов, в которых внутреннее
усиление достигается как раз за счет ударной ионизации в условиях
лавинного пробоя. В семейство фотодиодов входят диоды с р-"-переходом, р-
i-n-диоды, диоды со структурой металл-полупроводник (g барьером Шоттки) и
диоды с гетеропереходом.
В этом разделе мы кратко рассмотрим общие характеристики фотодиодов:
квантовую эффективность, скорость фотоответа и rtp и борные шумы.
Квантовая эффективность, как уже говорилось выше, представляет собой
число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесенное к числу
падающих фотонов:
Л - (VflWopt/Av), (12)
где /р - фототок, обусловленный поглощением падающего оптического
излучения с мощностью Р0р{ и длиной волны X (соответствующей энергии
фотона hv).
Сравнительным критерием качества является чувствительность, которая
определяется как отношение фототока к оптической мощности :
*-т&-<13>
Таким образом, для данной квантовой эффективности чувствительность
линейно растет с ростом X. Для идеального фотодиода (г) = 1) М - (АЛ ,24)
(А/Вт), где длина X выражена в микрометрах.
Одним из основных факторов, определяющих квантовую эффективность,
является коэффициент поглощения. На рис. 5 и 6 приведены зависимости
