Полупроводниковые фотоприемники. 
Электроника

Общая характеристика фотоприемников. По принципу действия все фотоприемники можно разделить на тепловые и фотоэлектрические; иногда среди последних выделяют еще фотоэлектронные приборы. В тепловых фотоприемниках используют изменение сопротивления чувствительного элемента в зависимости от его нагрева под действием поглощенного им излучения. В фотоэлектрических (фотоэлектронных) вакуумных приборах используют внешний фотоэффект, а в полупроводниковых фотоприемниках — внутренний.

Наибольшее применение находят полупроводниковые фотоэлектрические приемники, которые и будут основным предметом рассмотрения в этой главе. В общем случае во всех полупроводниковых фотоприемниках (фотодетекторах) происходят следующие процессы: генерация свободных носителей за счет воздействия излучения на полупроводник; перенос носителей и, возможно, их умножение" зависимости от типа прибора; взаимодействие с внешней цепью. В результате этих процессов формируется выходной сигнал, параметры которого зависят от падающего оптического излучения.

Можно выделить две основные группы оптоэлектронных полупроводниковых фотоприемников, предназначенных для приема, обработки и хранения информации: дискретные фотоприемники с малой апертурой — для приема оптических импульсов (сигналов); многоэлементные фотоприемники — для восприятия световых образов (изображений).

Среди фотоприемников первой группы лучшими с точки зрения высоких быстродействия и чувствительности в рабочем диапазоне длин волн и низкого уровня шумов являются фотодиоды (особенно с р—*—я структурой и лавинные), а среди второй — фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Фотоприемники являются крайне важной составной частью оптоэлектронных информационных систем. Потребности оптоэлектроники стимулировали создание фотоприемников, обладающих высокими быстродействием и чувствительностью, работающих в самых различных диапазонах длин волн, имеющих хорошие эксплуатационные характеристики и т. д. Перспективы развития оптоэлектроники в значительной мере определяются уровнем достижений в разработке фотоприемных устройств.

Фоторезисторы.

Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или пленку полупроводника 1 с омическими контактами 2 на двух противоположных концах (рис. 16.12), к которым подключается электрический источник питания с напряжением V. Полупроводник обычно наносится на стеклянную подложку 3. Наиболее распространены фоторезисторы на основе С<18 и Сс18е, работающие в длинноволновой части видимой области спектра. Фоторезисторы, изготовленные на основе РЬв и РЬ8е, имеют наибольшую чувствительность в ИК диапазоне (К ~ 3…5 мм). В ИК диапазоне работают также фоторезисторы на основе Ое, 81, ПаАв, 1п8Ь и т. д.

Падающее на поверхность фоторезистора излучение генерирует в нем свободные носители за счет собственного или примесного поглощений (см. п. 16.2). В отсутствие светового потока проводимость фоторезистора называется темновой и описывается формулой (см. п. 1.3) а = (](р_пп + |ДрР). Под действием оптического излучения за счет роста числа неравновесных свободных носителей происходит увеличение проводимости (и, следовательно, тока):

где Дл, Др— соответственно концентрации неравновесных электронов и дырок, Да — фотопроводимость.

Для полупроводника с электронной проводимостью (в случае примесной (донорной) фотопроводимости или при условии, что дырки сразу же после рекомбинации захватываются центрами рекомбинации) фототок /ф имеет только электронную составляющую и определяется соотношением.

Рис. 16.12.

Здесь /і_ф = Ап — концентрация фотоэлектронов, и_др = 1,/*_пр — их скорость дрейфа, определяемая временем пролета *_пр расстояния Ь между контактами фоторезистора, 5 — площадь поперечного сечения светочувствительного слоя (перпендикулярного направлению вектора плотности тока), V = ЬЭ — объем полупроводника (см. рис. 16.12).

В стационарных условиях облучения и протекания постоянного фототока скорость генерации носителей в единице объема Сгрен =равна скорости их рекомбинации (7^ = л_ф/т:

где время жизни т является количественной характеристикой интенсивности рекомбинации, а N— полное число фотонов, падающих на светочувствительную поверхность (площадью А) в единицу времени. (Предполагается, что толщина прибора больше глубины проникновения света.).

Очень важный параметр фоторезисторов — коэффициент внутреннего усиления фототока К_п, определяемый отношением числа фотоносителей, проходящих через прибор в единицу времени (фототок /ф), к полному числу квантов оптического излучения, падающих на светочувствительную площадку в единицу времени (ИСХОДНЫЙ ТОК /ф_И), т. е.

Выражение для фототока /_фи = дп^У/х получается умножением формулы (16.2) на заряд носителя <7.

После подстановки в формулу (16.3) этого выражения и соотношения (16.1) для фототока /_ф получим выражение для коэффициента внутреннего усиления в виде.

где (?_пр)^-1 = и_обр/Ь_у *_пр — время пролета носителей между контактами фоторезистора (см. рис. 16.12).

Подчеркнем еще раз, что формула (16.4) получена для полупроводника с электронной проводимостью. Кроме того, считается, что генерация свободных носителей происходит только за счет облучения, т. е. не учитывается термогенерация носителей. В приборах с большим временем жизни носителей т и малым расстоянием Ь между контактами коэффициент усиления может быть значительным, особенно в высокоомных полупроводниках (К_я ~ 10⁶…10⁸).

В полупроводниках, обладающих повышенной фотопроводимостью, К_и имеет меньшие значения из-за падения подвижности и насыщения дрейфовой скорости (см. п. 1.3).

Постоянная времени релаксации т_рел фотопроводимости после прекращения оптического возбуждения пропорциональна времени жизни электронов т. Время же фотоответа (фотоотклика) определяется временем пролета свободных носителей между контактами прибора, т. е. величиной *_пр. Поскольку для фоторезисторов характерны большие расстояния между контактами и слабые электрические поля, их время фотоответа обычно больше, чем у фотодиодов. Помимо коэффициента внутреннего усиления и постоянной времени релаксации, к основным параметрам фоторезистора (как и большинства фотоприемников) относятся:

монохроматическая чувствительность 5_ф(Х), которая определяется отношением фототока /_ф к полной мощности монохроматического излучения Р_изл с длиной волны Ху падающей на чувствительную площадку фоторезистора, т. е.

интегральная чувствительность.

где 5_фХ — спектральная плотность чувствительности (измеряемая в А/(Вт • мкм), если длина волны X выражена в мкм);

время нарастания (спада) *_{нр (сп)} фототока, которое обычно определяется между уровнями 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока при воздействии на фоторезистор идеально прямоугольного импульса излучения; при экспоненциальном нарастании и спаде фототока время нарастания (спада) связано со временем релаксации соотношением t_{нp (cп)} = 2,2т_ред;

граничная частота /, которая определяется частотой модуляции оптического излучения, соответствующей уменьшению чувствительности до уровня 0,707 от чувствительности для немодулированного излучения;

обнаружительная способность (см. [20]).

где П* измеряется в см • Вт ¹ • Гц^½; Ji^₁ — среднеквадратическое значение шумового тока (см. гл. 22); Д/— рабочая полоса частот фотоприемного устройства. Величина ?)* позволяет сравнивать предельные возможности различных по устройству и условиям применения фотоприемников. Обнаружительная способность равна величине, обратной пороговой мощности фотоприемника, т. е. той мощности, которая еще различима на фоне шума для светочувствительной площадки в 1 см² и работе устройства в полосе частот 1 Гц.

Специфическими параметрами фоторезисторов являются сопротивления в темновом Я_т, и засвеченном Я_св состояниях, их отношение Я_т/К_съ и постоянная времени релаксации фотопроводимости.

Для Сс18- и CdSe-фoтopeзиcтopoв типичные значения параметров: Я_т/Д_св = 10^г.10⁶, Д_св = 10²…10⁸ Ом, Я_г = 10⁷…10¹⁴ Ом. Инерционность переключения характеризуется временами около 100 мс. В миниатюрных планарных арсенид-галлиевых фоторезисторах удалось достигнуть ~ 10 ¹² с. Однако такое быстродействие реализуется лишь при возбуждении мощными лазерными импульсами; при малоинтенсивной засветке т ~ 10″ ⁹ с.

На рис. 16.13 представлены зависимости одного из важнейших параметров фотоприемников — обнаружительной способности — от длины волны. Отметим, что для приема излучения в ИК диапазоне с X > 2 мкм фоторезисторы охлаждаются до температуры жидкого азота 77 К и паров жидкого гелия 4,2 К. При таких температурах уменьшаются тепловые эффекты, вызывающие термическую ионизацию и опустошение энергетических уровней, увеличиваются усиление и эффективность приема излучения. Фоторезисторы на Сс18 обладают наибольшей чувствительностью (см. рис. 16.13) на длинах волн X ~ 0,5 мкм; в диапазоне Л- — 10 мкм используются фоторезисторы на основе Н^Сс1Те. Для приема излучения в диапазоне длин волн X — 100…400 мкм эффективно работают ОаАя-приборы — особенно при приеме сигналов большой интенсивности.

Фоторезисторы широко используются для детектирования в ИК области спектра при длинах волн больше нескольких микрометров. Для приема слабых сигналов на более коротких волнах в качестве высокочастот;

Рис. 16.13.

ных оптических демодуляторов использование фоторезисторов ограничено. В этих случаях целесообразно применение фотодиодов.