Mister 220V

Инжекцийни фотодиоды (ИФД) – новый класс фотоприемников. В них реализуется внутреннее инжекцийне усиление. Основные принципы работы ИФД были сформулированы в конце 50-х лет , однако в полной мере возможности практического использования их изученные лишь в последнее время.

ИФД представляет собой i-n-структуру (рис.2.1), на которую подается напряжение в пропускном направлении. Длина високоомної базовой i-области, которые представляет собой компенсированный глубокими примесями полупроводник, в несколько раз (3-10 и больше) превышает длину диффузного сдвига неосновных носителей заряда Ln_,г. Такие структуры называют также длинными диодами. При подключении источника питания они работают в режиме биполярной инжекции.

2.1 Структура диода с длинной базой.

Фотоэлектрическое инжекцийне усиление заключается в том, что засвитка из области собственного или примисного поглощение, модулируя сопротивление базовой области, вызывает дополнительное изменение инжекции носителей через p-n-переход. Освещение приводит к изменению сопротивления базы как за счет непосредственного увеличения концентрации носителей ( как в фоторезисторе), так и за счет изменения параметров, которые определяют распределение неуравновешенных носителей в базовой области (время жизни, биполярная подвижность и др.). В отличие от обычных фотоприемников (оберненозмищени фотодиоды, фототранзисторы), в которых используется фотодиодний эффект-распределение неуравновешенных носителей потенциальным барьером, в ИФД соединяются фоторезистивний эффект с инжекцией через прямозмищений переход. Поскольку инжектуючий p-n-переход включен последовательно с сопротивлением базовой области, то изменение последнего приводит к изменению инжекцийного тока и дальнейшей модуляции сопротивления базы. Таким образом обеспечивается усиления начального (первичного) фототока, то есть самоумножение тока. Взнос инжектованих носителей у увеличения интегральной проводимости полупроводника намного превышает взнос носителей, возбужденных светом. В качестве критерия эффективности ИФД проводят сравнение его чувствительности с фоточувствительностью аналогичного (эквивалентного) фоторезистора, изготовленного из того же материала, который и база диода, и что имеет те же геометрические размеры.

Коэффициент инжекцийного усиления (отношение фоточутливостей ИФД и фоторезистора) можно представить в виде произведения K_ип = Kjkg. Здесь Kj отражает взнос в полное инжекцийне усиление компоненты, обусловленной внутренней положительной обратной связью; Kj характеризует расхождение в крутизне ВАХ инжекцийного диода и аналогичного фоторезистоpa. Если участок ВАХ S-Диода вблизи точки срыва, где крутизна большая, достаточно стойкий, то и усиление Kj может быть большим. Оно реализуется как при собственной, так и при примисний засвитци.

Величина Kg характеризует усиление, обусловленное непосредственно влиянием засвитки на параметры распределения неуравновешенных носителей в базе. Поэтому его называют “параметрическим” усилением .Особенно сильно оно оказывается при примисний засвитци.

За счет усиления с помощью положительной обратной связи (Kj) нельзя добиться увеличения добротности фотодиода (произведение коэффициента усиления на полосу пропуска), потому что вместе с фотоответом в Kj раз возрастает инерционность. Увеличение добротности можно добиться в принципе лишь при параметрическом усилении.

Инжекцийне усиление при t-механизме фотопроводимости может оказываться при действия собственной и примисної засвиток и связанное с перезарядкой примисних уровней в базе диода. Существует критическая интенсивность оптической генерации g_кр, такая, что при g < g_кр напряжение срыва U_зp уменьшается с ростом интенсивности света. Ток срыва И_зр при этом остается практически неизменным. Если g > g_кр, проводимость базы существенным образом возрастает и существенным становится падение напряжения на p-n-переходе. Напряжение при этом слабо зависит от интенсивности засвитки, а ток срыва заметно увеличивается с ростом g .

Пренебрегая падением напряжения на p-n-переходе, коэффициент усиления можно записать в виде: K_ип = И_зр0 / (И_зр0 - И) где И_зр0 – плотность cтруму срыва при отсутствии освещения. Вблизи точки срыва Kg = 2, Kj = 0,5 И_зр0 / (И_зр0 - И). При И → И_зр0 усиление может быть очень большим.

Инжекцийне усиление при примисний засвитци. Существует принципиальное расхождение при влиянии собственной и примисної засвиток на физические процессы в диодах с длинной базой на основе високоомних компенсированных полупроводников. Анализ общего уравнения биполярного переноса показывает, что параметры, которые определяют распределение неуравновешенных носителей в базе (биполярная подвижность (, биполярный коэффициент диффузии D и др.), явным образом зависят лишь от характера примисної засвитки и концентрации неосновных носителей. “Параметрическое” инжекцийне усиление при действия света, слабого за интенсивностью, реализуется даже при отсутствии любого заметного перезарядки глубоких центров.

Дрейфовое приближение переноса носителей справедливое, если длина базы диода более чем на порядок превышает длину диффузного сдвига. Примисна засвитка увеличивает ( и тем самым содействует росту глубины протягивания инжектованих носителей вглубь базы с помощью дрейфа в электрическом поле.

На сравнительно пологом участке ВАХ примисний фототок ИФД, как и темновий ток, описывается квадратичной зависимостью тока от напряжения (И ~ U²), для эквивалентного фоторезистора эта зависимость линейная (рис. 2.2). Компонента коэффициента инжекцийного усиления К_j » 2. Полный коэффициент инжекцийного усиления Копен ~ , потому что Копен ~ U. При довольно больших напряжениях значения Копен может быть очень большим (102 и больше). Факторами, которые ограничивают коэффициент усиления сверху, есть разные механизмы инжекцийного пробоя.

2.2. Токовая фоточувствительность Si(U) BAX ИФД с

Ge<Au> (кривые 1 и 3) и аналогичного фоторезистора

(кривые 2,4) при примисний засвитци (Т = 77К)

Фотоэлектрическое усиление в полном виде можно высказать равенством:

K_ф ≈ 2 ,

где tp и tn – времена пролета дырок и электронов через базу; t_p/tp – коэффициент усиления эквивалентного фоторезистора (материал базы диода – полупроводник p-типа); отношение t_n/tn отображает инжекцийне усиление диода относительно чувствительности фоторезистора.

Разогрел носителей электрическим полем может приводить к появления на ВАХ диода участки постоянного напряжения (вертикаль). При этом стационарный примисний фототок настолько сильно возрастает, что возникает его дополнительное ( в сравнении со случаем отсутствия полевого разогрева) инжекцийне усиление, которое может составлять несколько порядков. В этом случае в условиях инжекцийного пробоя полупроводника, когда происходит резкое увеличение фоточувствительности, при модуляции примисного светлая частота убыли фототока обратно пропорциональная постоянному току и существенным образом зависит от отношения времени жизни носителей.

Поглощение света инжектованими носителями в i-n-структурах также сопровождается инжекцийним усилением. Падающее излучение за счет светового разогрева носителей меняет параметры Dn, D_р, m_n, m_p, t_n, t_p. Усиление фототока при этом может достигать нескольких порядков.

Фотодиоды с инжекцийним усилением перспективные для создания высокоэффективных фотоэлектрических устройств, чувствительных практически во всех областях оптического спектру. ИФД отличаются хорошими предельными характеристиками. Использование их возможное как в аналоговом, так и в дискретном режимах.

Количество материалов, в которых наблюдалось инжекцийне усиление, очень большая. Это, например, германий, компенсированный Au, Hg, Сu и др., кремний что имеет глубокие уровне Zn, В и др. Инжекцийне усиление изучалось в диодах на основе бинарных соединений и твердых растворов. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и глубины залегания примесей ИФД могут работать как при комнатной, так и при более низких температурах.

Значительная часть исследований проведена для ИФД, чувствительных в ИЧ области спектру (например, диоды на основе Ge, Insb). Однако выявленные закономерности инжекцийного усиления в основных чертах распространяются и на диоды на основе широкозонних материалов, чувствительные в более коротковолновой области спектру.

Фотоприемники с инжекцийним усилением перспективные для использования в функциональных узлах микроэлектронной аппаратуры ( S-Диоды), в устройствах криоелектроники. Чувствительностью инжекцийних фотоприемников можно руководить, используя общее действие света и магнитного поля. Фоточувствительность можно повысить, создавая в базе градиентов концентрации примесей или делая ИФД составной частью биполярного или однопереходного транзистора.

Биполярный фототранзистор представляет собой полупроводниковую структуру, в которой есть два p-n-переходы (рис. 1.4). Прибор можно представить таким что состоит из фотодиода и транзистора . Фотодиодом является освещаемая часть перехода база - коллектор, транзистором - часть структуры, расположенная непосредственно под емитером. Возможные три схемы включения фотодиода как двохполюсника, когда один из выводов остается свободным: со свободным коллектором, со свободным емитером и со свободной базой. Первые две из этих схем не отличаются от схемы

включения p-n-перехода в фотодиодному режиме.

1.4. Включение транзистора с отключенной базой.

РФОТОТРАНЗИСТОРЫассмотрим работу транзистора в схеме с общим емитером (ЗЕ) при отключенной базе при отсутствии освещения (см. рис. 1.4). Поскольку коллекторный p-n-переход включен в обратном направлении, все приложенное напряжение падает на нем и после включения ток в цепи равняется обратному току отдельно взятого коллекторного перехода И_КБ0. Этот ток составляется из тока дырок из базы в коллектор и тока электронов из коллектора в базу. Отход из базы дырок и приход у нее электронов приводит к образованию негативного заряда в базе. Вследствие этого потенциальный барьер емитерного перехода снижается и для компенсации негативного заряда в базу из емитера входят дырки. Обозначим через h_21Б коэффициент передачи (усиление) емитерного тока транзистора: h_21Б = (И_к / И_е)_{U =const}. Для анализируемого случая (ЗЕ) h_{21 Бы-А} часть инжектованих дырок проходит через базу в коллектор и в компенсации негативного заряда в базе принимает участие только (1- h_21Б)-а часть диркового тока емитера И_е. С условия електронейтральности ток, который образовывает заряд, должен быть равный току, что его компенсирует, то есть И_е (1-h_21Б) = И_КБ0. Ток во всех участках последовательного цепи одинаковый, поэтому

И = И_е = И_к и I = И_КБ0/(1- h_21Б).

При освещении базы фототок увеличивает обратный ток коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, потому что фототок суммируется с коллекторным током.

На данное время известные сложные интегральные микросхемы с фототранзисторами. Примером является составной транзистор-твердая схема с тремя транзисторами, соединенными по схеме Дарлингтона, которую можно рассматривать как емитерний повторитель. Коэффициенты усиления таких приборов могут достигать h³²¹ , что при достаточно больших токах составляет 105 … 106. В составных фототранзисторах достигаются малые значения границы чувствительности. Они отличаются высоким входным сопротивлением. Высокая фоточувствительность, широкий температурный диапазон работы, простота технологии изготовления и высокая надежность фототранзистора обусловливают его применение в разных оптоэлектронных устройствах. Например, на основе фототранзистора разработанные

оптоелектрони переключатели, которые комутують тока до нескольких десятков миллиампер с быстродействием приблизительно 10-6 с, коммутаторы аналоговых сигналов, которые переключают напряжения до 1 мВ, полосой пропуска к десяткам мегагерц, фотоприемные матрицы с накоплением и другие устройства.

Создание кремниевых фотоприемников предполагает возможность использования технологических приемов изготовления интегральных схем. Это обеспечивает высокую эффективность их применение в системах микрофотоелектроники. Структуры некоторых кремниевых фотоприемников с внутренним усилением приведены на рис. 1.5.

1.5. Планарни структуры фотоприемников с внутренним усилением:

а - фототранзистор;

бы - составной фототранзистор;

в - фототиристор.

Эквивалентная электрическая схема таких приборов может быть сведена к комбинации фотодиода и одного или нескольких транзисторов. Если коэффициент усиления транзисторной части эквивалентной схемы составляет h_21ЕКВ, то токовая чувствительность фотоприемника с усилением в h_21ЕКВ раз выше, чем чувствительность эквивалентного диода.

Основным элементом фотодиода (ФД) есть p-n-переход. При освещении его происходит генерация електронно-диркових пар. Электрическое поле перехода разделяют неуравновешенные носители заряда. Ток, образованный этими носителями, совпадает по направлению с обратным током p-n-перехода. p-n-переход как фотоприемник применяется в двух режимах – фотодиодному и режиме генерации фотоерс (вентильному) (рис. 1.2). В первом случае на диод подается обратное напряжение и ток через структуру является функцией интенсивности света. Во второму случая p-n-переход сам используется в качестве источника ЕРС или тока.

1.2. Схемы включения диода в фотодиодному (а) и фотовентильному (б)

режимах

Фотодиодний режим использования p-n-переходив и других аналогичных структур имеет определенные преимущества по отношению к фотовентильному: высокое быстродействие, лучшее стабильность характеристик, большой динамический диапазон линейности характеристик, повышенная фоточувствительность в длинноволновой области. Недостаток фотодиодного режима связан из темновим током, который проходит через прибор при обратном сдвиге при отсутствии излучения. В опоре нагрузки создается напряжение сдвига, значение которой експоненциально зависит от температуры. Избыточный шум и шум, обусловленный температурными колебаниями напряжения сдвига, исчезают, если диод находится при нулевом сдвиге. Поэтому фотовентильный режим может оказаться лучшим от фотодиодного. Энергетические характеристики фотоэлементов близкие к линейному при малых сопротивлениях нагрузке и являются логарифмическими (зависимость фотоответа от интенсивности засвитки) при большой нагрузке.

Типичная структура фотодиода и его вольт-амперная характеристика (ВАХ) показанные на рис. 1.3.

1.3 ВАХ фотодиода (a) и его структурная схема (б).

Оценим размер фототока для простого случая, когда излучение поглощается в n-области и интенсивность света постоянная по толщине ( << 1). Здесь – ширина базы. При обратном сдвиге процесс переноса генерированных светом носителей заряда не отличается от переноса уравновешенных носителей в баз-n-базе. Для определения фототока можно воспользоваться формулой для обратного тока p-n-перехода, которая для случая pp>>nn имеет вид:

И_нас = gslppn / _p.

Это cтрум неуравновешенных носителей заряда, которые генерируются с темпом pn/ _p в пласте базы шириной, равной длине диффузии неосновных носителей (дырок) Lp. По аналогии фототок

И_ф = qs( р/p) ,

где p – концентрация генерированных светом носителей. Поскольку << Lp, то

подставляя p = _pФ, получаем:

И_ф = q SФ = qc SФ (1.1)

Здесь S – площадь свитлоприйомної поверхности; c = – безразмерный коэффициент, который характеризует частицу излучения, которое поглощается в базе. У фотодиодов на основе p-n-перехода есть много преимуществ, главным из которых есть малая инерционность.