Разновидности фотоприемников излучения

Кроме рассмотренных фотоприемников (фоторезисторов, лавинных и р—1—л фотодиодов), широко используются такие фотоприемники, как фотодиоды с р—л переходом, с контактом металл—полупроводник, гетерофотодиоды, МДП-фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.

Фотодиоды с р—п-переходом (р—п-фотодиоды). По своим свойствам, происходящим в них процессам, устройству, областям применения, по используемым параметрам р—л фотодиоды во многом аналогичны р—I—п диодам. Устройство приборов этого типа понятно из рис. 16.23. В отличие от р—/—л-фотодиода в относительно толстой л-базе р—л-фотодиода доминируют диффузионные процессы, что приводит к большей инерционности и снижению фоточувствительности. В ИК диапазоне фоточувствительность р—л-фотодиодов может быть на порядок хуже, чем у р—1—п-приборов. Эти недостатки существенно ограничивают применение р—л-фотодиодов в оптоэлектронике. К неоспоримым достоинствам этих приборов можно отнести простоту изготовления, повышенную однородность параметров изготовляемых структур из-за использования низкоомной однородной полупроводниковой пластины, полную совместимость технологии изготовления кремниевых р—л фотодиодов с технологией микросхем. Последнее обстоятельство позволяет создавать интегральные фотоприемники, представляющие собой микросхему, где совместно с фотодиодом на том же кристалле изготавливаются высокочастотные транзисторы, операционные и ключевые усилители, пороговые схемы и т. д. Использование стандартной технологии обеспечивает низкую стоимость фоточувствительных микросхем, практически равную стоимости дискретных приборов, при высокой чувствительности, быстродействии и температурной стабильности. Такие схемы обладают очень широкими функциональными возможностями и перспективны в микроэлектронных оптических устройствах.

Фотодиоды с барьером Шоттки Используются в качестве высокоэффективных фотодетекторов, обладающих малой инерционностью в видимой и УФ областях спектра. Основные физические процессы, протекающие при контакте металл—полупроводник, были рассмотрены в п. 2.6. Типичная структура фотодиода с барьером Шоттки изображена на рис. 16.24. Здесь 1 — металли;

Рис. 16.23.

Рис. 16.24.

ческие контакты; 2 — просветляющее покрытие из пленки ZnS, ЭЮ и др.; 3 — тонкий полупрозрачный слой металла; 4 — окись кремния 8Ю₂; 5 — диффузионное охранное кольцо р* -типа.

По сравнению с р—" или р—/—" структурами металлическая пленка, обеспечивающая контакт с полупроводником «типа, обладает значительно меньшим последовательным сопротивлением, чем в случае мелкого л⁺—» перехода у перечисленных структур. Меньшее последовательное сопротивление дает и меньшие потери. Кроме того, паразитное поглощение коротковолнового (УФ) излучения в тонкой (~ 10~⁶ см) полупрозрачной пленке меньше, чем в более толстой р' -области. Все отмеченное, а также простота изготовления и широкий выбор возможных материалов (как металлов, так и полупроводников) несомненно являются достоинствами этих приборов. Из полупроводников в фотодиодах Шоттки используют 81, Се, СаАв, СаАэР, 1пР, Сс18, РЬв, РЬве и др., а из металлов — Аи, Лg, РЬ, Си, Мо, N1, У, Сг, 8п, Ъп, Се и др. Приборы рассматриваемого типа хорошо совместимы технически и физически с интегральными структурами, что является существенным их достоинством.

Для видимой и УФ областей спектра коэффициент поглощения в наиболее распространенных полупроводниках очень велик (> 10⁵ см ^!), а эффективная глубина поглощения мала (1/а < <0,1 мкм), поэтому соответствующим подбором металла и просветляющего покрытия добиваются, чтобы падающее излучение в основном поглощалось вблизи поверхности полупроводника. Пленка из золота толщиной ~ 10~⁶ см пропускает более 95% падающего излучения, а при толщине ~ 5* 10 ⁶см коэффициент пропускания снижается до 30%. Квантовая эффективность лучших приборов в видимом и УФ диапазонах колеблется в пределах 20…70%, время нарастания фотоотклика ~ 10~¹⁰ с.

Фототранзисторы и фототиристоры. Биполярные и полевые транзисторы, а также тиристоры, рассмотренные соответственно в гл. 4—6, при соответствующей конструктивной модификации могут выполнять роль фотоприемников. Характерной особенностью этих приборов является наличие высокого коэффициента внутреннего усиления, что обеспечивает и высокую чувствительность. Однако эти фотоприемники отличаются по сравнению с фотодиодами большей инерционностью и конструктивной сложностью.

Рассмотрим основные процессы в биполярном фототранзисторе, который обычно включается в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером (Э). Фототранзистор может работать в режиме как с плавающей базой р, когда ее электрическая цепь разорвана, так и при наличии базового тока подобно обычному биполярному транзистору. Специфическим является режим с плавающей базой, поэтому дальнейшее рассмотрение будет-касаться именно его. При наличии напряжения между коллектором п и эмиттером п' и в отсутствие облучения в цепи коллектора будет протекать темновой ток. В этом случае эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Напряжение коллектор—эмиттер распределено между этими двумя переходами, причем подавляющая часть падает на коллекторном переходе, а на эмиттерном падение напряжения незначительно. Поэтому и ток инжекции через этот открытый переход, и темновой ток /_т в цепи коллектора будут также малы.

При освещении транзистора светом в его базовой и коллекторной областях генерируются электронно-дырочные пары, которые разделяются полем коллекторного перехода аналогично тому, как это происходило в фотодиодах. Электроны движутся в область коллектора. Дырки, фотогенерированные в базе, и те, которые приходят в базу из коллектора, понижают потенциальный барьер на эмиттерном переходе, что вызывает дополнительную инжекцию электронов в базу. С увеличением интенсивности светового потока Ф растет число генерированных фотоносителей и, соответственно, увеличивается коллекторный ток, что хорошо видно из выходных ВАХ биполярного фототранзистора. Общий коллекторный ток.

где 1_КЭ0 — ТОК В коллектор-эмиттерной цепи при Ф = О, Л₂1Э — коэффициент передачи в схеме с ОЭ (см. п. 4.4).

Поскольку Л₂1э = Р ^ 1* эффективный квантовый выход фототранзистора в (1 + Л_21Э) раз больше квантового выхода фотодиода (обычно на 1…2 порядка), роль которого в фототранзисторе выполняет переход база—коллектор. Если в цепи базы протекает ток от внешнего источника (на базу подано смещение), этот ток добавляется к току /_ф и общий коллекторный ток возрастает. Биполярные фототранзисторы совмещаются с другими интегральными приборами. Это можно ярко проиллюстрировать на примере составного транзистора, устройство и схема которого представлены соответственно на рис. 16.26, а, б, где 1 — антиотражающее покрытие, 2 — защитный окисел, 3 — металлический контакт, 4 — БЮ₂. Транзистор У^ функционирует как обычный биполярный фототранзистор. Ток инжекции транзистора У^ является одновременно входным током транзистора УТ₂, что значительно повышает общий коэффициент.

Рис. 16.26.

усиления. В составном транзисторе коэффициент усиления достигает значений 10³…10⁴. Большая емкость база—коллектор в биполярных фототранзисторах ограничивает их быстродействие, которое снижается при увеличении усиления за счет обратной связи. Типичные времена переключения: для фотодиодов ~10^_8с, для биполярных фототранзисторов 5*10^_6с, для составных фотоприемников 5 • 10~⁵ с.

Фототиристоры. Устройство и принцип действия фототиристоров во многом аналогичны устройству и принципу действия обычных тиристоров и их разновидностей, описанных в гл. 5. Отличительная особенность устройства фототиристора — наличие полупрозрачного окна в области базы с управляющим электродом УЭ (рис. 16.27, а и б). Освещение фототиристора приводит к генерации электронно-дырочных пар в базе и в переходе П₂. Переход П₂ разделяет электроны и дырки аналогично коллекторному переходу фототранзистора и переходу фотодиода. Избыточные носители усиливают механизм обратной связи тиристора, что приводит к переключению его из запертого состояния в открытое при меньших анодных напряжениях, аналогично тому, как это происходит при наличии управляющего тока в обычном тиристоре. ВАХ фототиристора полностью аналогичны характеристикам триодного фототиристора (см. рис. 5.1, в), где в качестве параметра вместо тока управляющего электрода выступает мощность светового потока или любой другой параметр, характеризующий интенсивность падающего излучения. Фототиристоры используются в основном в устройстве силовой автоматики и сильноточной электроники, так как позволяют переключать большие токи и напряжения при облучении их световыми сигналами малой интенсивности.

Рис. 16.27.

Чувствительность фототиристоров не хуже, чем у составных биполярных фототранзисторов, а быстродействие фототиристоров (10^-5…3 • 10 ⁵ с) даже несколько лучше.

Полевые фототранзисторы. Структура кремниевого МДП-транзистора представлена на рис. 16.27, в, где И — исток; С — сток; П — подложка; 3 — затвор. Излучение через полупрозрачный электрод затвора проникает в область канала и подложки р-типа. Генерированные носители разделяются электрическим полем канала: электроны поступают в канал, увеличивая его проводимость, а дырки вытесняются в подложку. Увеличение проводимости канала под действием света приводит к изменению порогового напряжения на затворе и крутизны характеристики. Выходной сигнал, снимаемый с резистора, включенного в цепь стока, пропорционален фототоку в процессе облучения.

Если МДП-фототранзистор работает в ИК диапазоне, то обычно используется эффект не собственного, а примесного поглощения. В этом случае р-подложка легируется индием и бором. Бор дает мелкий акцепторный уровень, т. е. уровень, расположенный близко к границе валентной зоны, а индий образует глубокий акцепторный уровень, расположенный выше границы валентной зоны на 0,16 эВ. Если положительный потенциал на затворе (см. рис. 16.27, в) больше порогового, то происходит образование канала. Все примесные центры (уровни) захвачены дырками и нейтральны. Под действием ИК излучения с энергией фотонов, достаточной для ионизации атомов индия, дырки переходят в валентную зону и образуются отрицательные ионы акцепторов (в основном в поверхностном слое, т. е. недалеко от границы канала в обедненной области). Суммарная плотность отрицательного объемного заряда в обедненной области увеличивается, изменяется ширина перехода на границе канала и подложки, что, в свою очередь, модулирует проводимость канала и изменяет ток стока. Эти изменения пропорциональны величине светового потока и, соответственно, фототоку. При использовании вместо индия других примесных атомов можно изменять спектральную характеристику прибора, получая максимум чувствительности в требуемом спектральном диапазоне.

Достаточно распространен вариант полевого МДП-транзистора, состоящего из р—я-перехода истоковой области и МДПтранзистора. Характерным конструктивным отличием прибора этой модификации от обычного МДП-транзистора является наличие развитой площади истока, которая облучается светом, т. е. в этом случае переход исток—подложка выступает как р—л фотодиод, фототок которого усиливается МДП-транзистором. Кроме того, фото-ЭДС р—л-перехода изменяет пороговый потенциал затвора, и вся сток-затворная характеристика смещается, увеличивая ток стока. Такой интегральный приемник может работать в режиме накопления заряда. В этом режиме переход исток—подложка выступает в роли р—п фотодиода, и на емкости этого фотодиода, т. е. емкости перехода исток—подложка, накапливается заряд, а сам МДП-транзистор работает в ключевом режиме. В нормальном состоянии в МДП-транзисторе канал не сформирован и ключ на МДП-транзисторе разомкнут. Во время считывания на затвор подается короткий импульс, который формирует канал, ключ замыкается и снимаемый с сопротивления в цепи стока выходной сигнал будет пропорционален заряду, накопленному на емкости р—л-перехода исток—подложка (емкости фотодиода). Такой режим позволяет значительно повысить чувствительность фотоприемника. Выигрыш в усилении увеличивается примерно в *_н/*_изм раз, где ?_н — время накопления заряда, которое равно времени освещения транзистора; t_VlЗM — время измерения, которое составляет величину порядка длительности импульса считывания, когда ключ замкнут.

МДП-транзисторы весьма перспективны за счет простоты технологии изготовления и возможности широкого использования в многоэлементных фотоприемниках большой степени интеграции.

Существует еще достаточно много различных видов фотоприемников, к которым можно отнести биполярные и полевые гетерофототранзисторы, гетерофотодиоды, однопереходные фототранзисторы, диоды Ганна, МДП-фотодиоды и т. д. Однако все эти приборы имеют в той или иной мере ограниченное применение и здесь не рассматриваются.