Фотоприймачi з внутрiшнiм пiдсиленням
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
>
РЖнжекцiйнi фотодiоди (РЖФД) новий клас фотоприймачiв. В них реалiзуСФться внутрiшнСФ iнжекцiйне пiдсилення. Основнi принципи роботи РЖФД були сформульованi наприкiнцi 50-х рокiв , проте повною мiрою можливостi практичного використання iх вивченi лише останнiм часом.
РЖФД являСФ собою p-i-n-структуру (мал.2.1), на яку подаСФться напруга в пропускному напрямку. Довжина високоомноi базовоi i-областi, що являСФ собою компенсований глибокими домiшками напiвпровiдник, в декiлька раз (3-10 i бiльше) перевищуСФ довжину дифузiйного зсуву неосновних носiiв заряду Ln,р. Такi структури називають також довгими дiодами. При пiдключеннi джерела живлення вони працюють у режимi бiполярноi iнжекцii.
Мал.2.1 Структура дiода з довгою базою.
Фотоелектричне iнжекцiйне пiдсилення полягаСФ в тому, що засвiтка з областi власного або примiсного поглинання, модулюючи опiр базовоi областi, викликаСФ додаткову змiну iнжекцii носiiв через p-n-перехiд. Освiтлення призводить до змiни опору бази як за рахунок безпосереднього збiльшення концентрацii носiiв (як у фоторезисторi), так i за рахунок змiни параметрiв, що визначають розподiл незрiвноважених носiiв у базовiй областi (час життя, бiполярна рухливiсть i iн.). На вiдмiну вiд звичайних фотоприймачiв (оберненозмiщенi фотодiоди, фототранзистори), у яких використовуСФться фотодiодний ефект-розподiл незрiвноважених носiiв потенцiйним барСФром, у РЖФД сполучаються фоторезистивний ефект з iнжекцiСФю через прямозмiщений перехiд. Оскiльки iнжектуючий p-n-перехiд включений послiдовно з опором базовоi областi, то змiна останнього призводить до змiни iнжекцiйного струму i подальшоi модуляцii опору бази. У такий спосiб забезпечуСФться пiдсилення початкового (первинного) фотоструму, тобто самопомноження струму. Внесок iнжектованих носiiв у збiльшення iнтегральноi провiдностi напiвпровiдника набагато перевищуСФ внесок носiiв, збуджених свiтлом. У якостi критерiю ефективностi РЖФД проводять порiвняння його чутливостi з фоточутливiстю аналогiчного (еквiвалентного) фоторезистора, виготовленого з того ж матерiалу, що i база дiода, i що маСФ тi ж геометричнi розмiри.
КоефiцiСФнт iнжекцiйного пiдсилення (вiдношення фоточутливостей РЖФД i фоторезистора) можна уявити у виглядi добутку Kiп = KjKg. Тут Kj вiдбиваСФ внесок у повне iнжекцiйне пiдсилення компоненти, обумовленоi внутрiшнiм позитивним зворотним звязком; Kj характеризуСФ розходження в крутизнi ВАХ iнжекцiйного дiода й аналогiчного фоторезистоpa. Якщо дiлянка ВАХ S-дiода поблизу точки зриву, де крутизна велика, достатньо стiйкий, то i пiдсилення Kj може бути великим. Воно реалiзуСФться як при власнiй, так i при примiснiй засвiтцi.
Величина Kg характеризуСФ пiдсилення, обумовлене безпосередньо впливом засвiтки на параметри розподiлу незрiвноважених носiiв у базi. Тому його називають тАЬпараметричнимтАЭ пiдсиленням .Особливо сильно воно виявляСФться при примiснiй засвiтцi.
За рахунок пiдсилення за допомогою позитивного зворотного звязку (Kj) не можна домогтися збiльшення добротностi фотодiода (твiр коефiцiСФнта пiдсилення на смугу пропускання), тому що разом iз фотовiдповiддю в Kj раз зростаСФ iнерцiйнiсть. Збiльшення добротностi можна домогтися в принципi лише при параметричному пiдсиленнi.
РЖнжекцiйне пiдсилення при -механiзмi фотопровiдностi може виявлятися при дii власноi i примiсноi засвiток i повязане з перезарядженням примiсних рiвнiв в базi дiода. РЖснуСФ критична iнтенсивнiсть оптичноi генерацii gкр, така, що при g gкр, провiднiсть бази iстотно зростаСФ i суттСФвим стаСФ падiння напруги на p-n-переходi. Напруга при цьому слабко залежить вiд iнтенсивностi засвiтки, а струм зриву помiтно збiльшуСФться з ростом g .
Зневажаючи падiнням напруги на p-n-переходi, коефiцiСФнт пiдсилення можна записати у виглядi: Kiп = РЖзр0 / (РЖзр0 - РЖ) де РЖзр0 щiльнiсть cтруму зриву за вiдсутностi освiтлення. Поблизу точки зриву Kg = 2, Kj = 0,5 РЖзр0 / (РЖзр0 - РЖ). При РЖ > РЖзр0 пiдсилення може бути дуже великим.
РЖнжекцiйне пiдсилення при примiснiй засвiтцi. РЖснуСФ принципове розходження при впливi власноi i примiсноi засвiток на фiзичнi процеси в дiодах iз довгою базою на основi високоомних компенсованих напiвпровiдникiв. Аналiз загального рiвняння бiполярного переносу показуСФ, що параметри, якi визначають розподiл незрiвноважених носiiв у базi (бiполярна рухливiсть , бiполярний коефiцiСФнт дифузii D i iн.), явно залежать лише вiд характеру примiсноi засвiтки i концентрацii неосновних носiiв. тАЬПараметричнетАЭ iнжекцiйне пiдсилення при дii свiтла, слабкого за iнтенсивнiстю, реалiзуСФться навiть за вiдсутностi будь-якого помiтного перезарядження глибоких центрiв.
Дрейфове наближення переносу носiiв справедливе, якщо довжина бази дiода бiльш нiж на порядок перевищуСФ довжину дифузiйного зсуву. Примiсна засвiтка збiльшуСФ i тим самим сприяСФ зростанню глибини протягання iнжектованих носiiв вглиб бази за допомогою дрейфу в електричному полi.
На порiвняно пологiй дiлянцi ВАХ примiсний фотострум РЖФД, як i темновий струм, описуСФться квадратичною залежнiстю струму вiд напруги (РЖ ~ U2), для еквiвалентного фоторезистора ця залежнiсть лiнiйна (мал. 2.2). Компонента коефiцiСФнта iнжекцiйного пiдсилення Кj 2. Повний коефiцiСФнт iнжекцiйного посилення Кiп ~ , тому що Кiп ~ U. При досить великих напругах значення Кiп може бут