Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
различных фоторезисторов, работающих при разных температурах. Пунктирная
кривая - теоретическая идеализированная D* при 300 °К в угле, равном 2я
стерадиан [Л. 32а].
Уравнение (36) применимо в том случае, когда модулируется интенсивность
излучения. В этом случае т=Ф1/Ф0 представляет собой коэффициент
модуляции. Если падающее излучение состоит из двух оптических сигналов с
частотами шт/(2я) и Шп/(2я), разность которых равна ш/(2л), общая
плотность потока равна (случай фото-смешения) [Л. 36]:
Пренебрегая частотами выше ш/(2я), получаем отношение между амплитудами
потока разностной частоты (частоты биений) Ф1 и постоянного потока Фо в
виде
(36)
0,8 ОД 0,6 0,8 1,0 ' 8,0 0,0 6,0 80
Длина волны, jiiKM
(УФт eL(tm)*+V Фп е** )2=4~(ф(tm) + Фэт) + + УФЖп еЫ +
(37)
Ф, 2 VФтФ"
' ф" ф -U ф
(37а)
где Фт И Фп - плотности потоков поглощенных фотонов двух оптических
сигналов.
На рис. 22 представлены эквивалентная схема фоторезистора на высокой
частоте и его эквивалентная шумовая схема. На рис. 22,я величина G -
полная проводимость на высокой частоте, а 1рс(ч>) - переменный фототок,
который выражается формулой
V (w) - ТВДФИ t,. (1 + /сот) (38)
а)
Рис. 22. Эквивалентные схемы фоторезистора.
а - на высокой частоте; б - шумовая эквивалентная схе-ма {Л. 35].
для случая однородного поглощения. Выходная мощность (при работе на
согласованную нагрузку) может быть получена с помощью рис. 22,а:
P<xv - g I V (") I2 Q ^ 8 G (с0try
• (39)
tOT* 1
Отношение сигнал/шум может быть получено из рис. 22,6, на котором Igr
обозначает источник генерационно-рекомбинационного шума, a Ig
соответствует тепловому шуму шунтирующей проводимости С.
Среднеквадратичная флуктуация тока, обусловленная генерационно-
рекомбинационным шумом, в полосе шириной В равна [Л. 37]:
lGR =4<?77- (1 + оуЧ2) В'
где Is - обратный ток насыщения; В - ширина полосы. Вследствие того, что
% = 4kTBG, (41)
используя уравнения (38), (40) и (41), можно получить выражение для
отношения сигнал/шум;
(S/N)KOm" = g|, т*ФвА ? I + (1 + аЧ*) -?-] '* . (42)
Приведенная выше формула будет в дальнейшем использована для сравнения
преобразования излучения с помощью фоторезистора н фотодиода. Будет
показано, что фоторезисторы являются прибо. рами с крайне широкой полосой
пропускания и могут дать сравни-
тельно высокие коэффициенты преобразования при детектировании сигналов
высокой интенсивности. При детектировании слабых сигналов, однако, в
микроволновом диапазоне частот фотодиоды обеспечивают получение сигналов
значительно большей мощности при значительно более высоких отношениях
сигнал/шум. Таким образом, применение фоторезисторов в качестве
высокочастотных оптических демодуляторов, например смесителей мощных
оптических сигналов,
ограничено. Однако они широко в инфракрасной области спектра, нескольких
микрон, где, несмотря
Длина далны, мкм
Рис. 23. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для Ge и Si
при 300 СК {Л. 38]. Указаны линии излучения некоторых лазеров.
используются для детектирования особенно на длинах волн порядка на
интенсивную работу, до сих пор не получено удовлетворительных результатов
в области техники детектирования на переменном токе.
2. Фотодиод с обедненным слоем. Фотодиод с обедненным слоем состоит по
существу из обратносмещенного полупроводникового диода, обрат-
Рис. 24. Зависимость эффективного квантового выхода (количество
электронно-дырочных пар на один фотон) от длины волны для Ge и Si
фоторезисторов [Л, 39].
ный ток которого модулируется электронно-дырочными парами, создающимися
близ обедненного слоя вследствие поглощения излучения. В таких диодах
приложенное обратное смещение недостаточно велико, чтобы вызвать лавинный
пробой. Это условие противоположно условию, существующему в лавинных
фотодиодах, которые будут рассматриваться в следующем подразделе и в
которых имеет место внутреннее усиление тока в результате ударной
ионизации в условиях лавинного пробоя. Семейство фотодиодов с обедненным
слоем включает p-i-n диоды, р-п переходы, диоды, образованные контактом-
металл - полупроводник (диоды с барьером Шоттки), гетеропереходы и
точечно-контактные диоды.
А. Общие рассмотрения. Рассмотрим коротко характеристики основных
типов фотодиодов с обедненным слоем - область спектральной
чувствительности, частотные характеристики, выходную ¦ мощность и
отношение сигнал/шум.
Область спектральной чувствительности - это область длин волн, в которой
может быть генерирован заметный фототок. Одним из 'основных факторов,
определяющих область спектральной чувствительности, является коэффициент
поглощения а. На рис. 23 представлены экспериментальные кривые
зависимости коэффициента поглощения от длины волны в собственной области
для германия и кремния 1[Л. 38]. Кроме того, указаны длины волн,
соответствующие излучению некоторых важных лазеров.
Вследствие того, что а резко зависит от длины волны, для данного
полупроводника область длин волн, в которой может быть генерирован
