Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения

Фоторезистор - простейшая полупроводниковая структура с одним типом проводимости, у которого под действием падающего потока излучения происходит изменение проводимости за счет образования в объеме полупроводника носителей заряда (электронов и дырок) и перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (фоторезисторы с собственной фотопроводимостью), из валентной зоны на примесный уровень или из примесного уровня в зону проводимости (фоторезисторы с примесной фотопроводимостью)

Фотодиод - монолитная структура, содержащая две области с различными типами проводимости (n- и p-типа), образующие область объемного заряда. Под действием падающего на одну из областей фотодиода излучение его вольт-амперной характеристики (ВАХ) изменяется.

Лавинные фотодиодыобладают механизмом внутреннего усиления. При одинаковой падающей мощности фотосигнал лавинного фотодиода превышает сигнал обычного фотодиода тех же размеров, изготовленного из того же самого полупроводникового материала. Хотя внутреннее усиление не приводит к увеличению отношения сигнал - шум, а скорее может уменьшить его, имеется возможность снизить требования к шумовым характеристикам предусилителей, используемых в фотоприемных устройствах с ЛФД. Кроме того, при определенных условиях значительное лавинное усиление можно получить без уменьшения быстродействия фотодиодов. В конечном итоге ЛФД можно рассматривать как твердотельный аналог фотоумножителя.

Механизм лавинного усиления наблюдается в р-n переходе для неслишком высоких уровней легирования при обратных смещениях. При высоких уровнях легирования туннельный эффект Зинера препятствует возникновению лавины. (Для туннельного эффекта необходимы большие напряженности полей, но в узком слое полупроводника, ширина которого недостаточна для развития лавины.) При отсутствии внешнего фотосигнала носители, появление которых обусловлено термической генерацией, испытывают ускоряющее действие поля в области р-n перехода, достаточное для того, чтобы при соударениях с атомами вызывать дополнительную ионизацию последних. Дополнительные электроны, образуемые при этом, в свою очередь, испытывают ускорение и приводят к генерации новых свободных электронов. Таким образом, поле вблизи р-n перехода приводит к образованию лавины. Поскольку первичным толчком к образованию лавины могут служить и возбужденные фотоизлучением электроны или дырки, механизм лавинного усиления можно рассматривать как процесс, приводящий к увеличению числа возбужденных фотоизлучением носителей тока.

Из-за трудности обеспечения достаточно сильных однородных полей при больших площадях р-п переходов ЛФД имеют, как правило, малые размеры.

р-i-n фотодиод. В отличие от приборов с резким р-п переходом, в р-i-n фотодиодах между р- и n-областями находится область полупроводника с собственной проводимостью. Если изготовить одну из областей (обычно р- для Si) тонкой по сравнению с длиной оптического поглощения, то падающее излучение, проникая в область собственной проводимости, будет генерировать электронно-дырочные пары. Сильное электрическое способствует быстрому дрейфу носителей, в результате чего частотная характеристика р-i-n фотодиода простирается в область более высоких частот по сравнению с характеристикой обычного фотодиода из того же самого полупроводникового материала.

Фотодиоды с гетеропереходом. Значительный интерес в 60-е годы вызвало применение полупроводниковых гетеропереходов в качестве широкозонных эмиттеров в транзисторах. Гетеропереходы изготавливаются методом эпитаксиального наращивания одного полупроводника, например GaAs, на поверхности другого (Gе), имеющего похожее строение кристаллической решетки. Выпрямляющие свойства таких переходов обнаруживаются не только в структурах, содержащих контактирующие р- и n- области, но и в структурах, типа n-n и p-p. Для создания фотоприемников на ультрафиолетовую область спектра широко используются гетероструктуры GaAs - AlAs, Al_xGa_1-xAs - GaAs. Использование более широкозонного, чем GaAs, соединения, прозрачного в коротковолновой области спектра, в качестве «окна», пропускающего высокоэнергетичные фотоны в глубоко лежащую область разделяющего носители заряда потенциального барьера, облегчает получение высокой чувствительности в ультрафиолетовой области. Фотодиоды с гетеропереходом Al_xGa_1-xAs - GaAs обладают высоким быстродействием.

Солнечные элементы. Одним из важных видов применения структур с р-n переходом является изготовление на их основе солнечных элементов. Солнечные элементы предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую, поэтому имеют область спектральной чувствительности максимально приближенную к спектру излучения солнца. В этом случае р-n переход работает в фотогальваническом (вентильном) режиме (см. Рис. 5а.).

Фототранзистор содержит два p-n перехода включенных навстречу друг другу и обладает свойством внутреннего усиления электрического сигнала, возникающего под действием излучения, падающего на одну из его областей (базу).

Фотодиод с барьером Шоттки. Потенциальный барьер, возникающий на изготовленном специальным образом контакте металл - полупроводник, приводит к разделению возбужденных фотоизлучением электронов и дырок, обеспечивая появление фотосигнала. В большинстве случаев слой металла делается полупрозрачным для падающего излучения. Оптическая генерация носителей происходит в толще полупроводника или в непосредственной близости от потенциального барьера. В некоторых случаях излучение падает со стороны полупроводника, толщина которого в этом случае должна быть достаточно малой, чтобы возбужденные фотоизлучением носители могли диффундировать к барьеру. Фотодиоды с барьером Шотки приобретают особый интерес при использовании материалов, в которых невозможно создание р-n переходов. Они также нашли применение в качестве фотоприемников для ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра, особенно для лазерных применений, где требуется высокое быстродействие (во многих случаях до нескольких гигагерц).

Фотоприемное устройство(ФПУ) состоит из одного или множества фоточувствительных элементов, преобразующих оптическое излучение в электрический сигнал, и схемы предварительной обработки сигнала (например, схем сопряжения, усиления, коммутации, стабилизации рабочей точки и др.), объединенных в единый корпус и выполненных на основе гибридной и интегральной технологии. В качестве фоточувствительных элементов ФПУ могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фоточувствительные МДП- структуры. В зависимости от числа фоточувствительных элементов ФПУ делятся на одноэлементные и многоэлементные, а от способа съема сигнала- на ФПУ с разделенными каналами и ФПУ с внутренней коммутацией.

Фоточувствительные приборы с переносом заряда - многоэлементные фоточувствительные МДП структуры, в которых функция коммутации сигнала осуществляется в самом объеме полупроводникового фоточувствительного материала. Они предназначены для преобразования оптического излучения (изображения) в электрический сигнал. Наиболее распространенными являются фотоприемники с зарядовой связью, в которых зарядовые пакеты передаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям в объеме полупроводника при подаче на его электроды в соответствующей последовательности тактовых импульсов.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 152; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!