Лекция №6 Тема: «Продолжение»

Вид материала

Лекция

Содержание Лавинные фотодиоды. Фотодиоды с барьером Шоттки. Фотодиоды с гетероструктурой.

Подобный материал:

• Лекция №8 Тема: «Продолжение», 81.36kb.
• Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
• А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.
• Лекция n12 Лекция 12, 393.41kb.
• Сироткиной Еленой Борисовной, группа 409-509 (Кафедра Физики ускорителей высоких энергий), 399.91kb.
• Лекция №9. Тема: «Продолжение», 62.98kb.
• 1 11 Тема 2 12 тема 3 13 Тема 4 14 Тема 5 15 Тема 6 17 Тема 7 20 Тема 8 22 Тема, 284.17kb.
• Перевод Г. В. Барышниковой, 3333.91kb.
• Лекция Средневековый корейский язык (продолжение). Фонетика, грамматика, лексика, 72.65kb.
• Лекция 3 30. 09. 96. Тема: Мезенхимальные дистрофии (продолжение), 75.77kb.

Лекция №6

Тема: «Продолжение».


Фотодиоды. Фотоинерционные малые фотоприемники – их инерционность зависит от временных характеристик, процессов фотогенерации носителей, условий электронно-дырочных пар, емкости ПН перехода, а так же сопротивления нагрузке. Особую группу фотодиодов отличающихся малой инерционностью составляют ПИН.

Структура ПИН фотодиодов:



1 – пленка, которая используется для уменьшения света на поверхности диода.

2 – защитное кольцо, которое позволяется повышать напряжение пробоя.


На подложке с проводимостью Н+ сформирован слабый легированный слой и слой с проводимостью П+. При подаче обратного освещения объединенным оказывается весь И слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения света, повышается чувствительность прибора.

Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте, в зависимости от коэффициента поглощения, и вызывает появление фотовозбужденных носителей. Электрическое поля объединенного слоя (напряженность поля больше или равна 10 в 3 вольт на сантиметр) ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 10 в 7 см на секунду). Эта область называется «пространством дрейфа». За пределами объединенного слоя, движение носителей носит диффузионный характер с относительно низкой скоростью (10 в 4 см на секунду). Это обстоятельство ухудшает быстродействие. Для его повышения необходимо сконцентрировать поглощение излучения в объединенном слое. С этой целью слой р+ делают очень тонким, а толщину слоя И больше длинны поглощения излучения.

Для кремния:

Длина волны – 0,8 мкм

Длина поглощения – 10 – 20 мкм.

U раб – 10 – 20 в.


Достоинства ПН фотодиодов:

Есть возможность обеспечения чувствительности в длинной части спектра за счет изменения ширины И области.

Высокая чувствительность и быстродействие.

Малое рабочее напряжение.


Сложность – получить высокую частоту и область.


Лавинные фотодиоды.



1 – пленка, которая используется для уменьшения света на поверхности диода.

2 – защитное кольцо, которое позволяется повышать напряжение пробоя.

В лавинном фотодиоде излучение так же поглощается в объединенном слое. Для создания ударной ионизации фотовозбужденными носителями рядом с ПН переходом формируется область с высокой напряженностью электрического поля (более 10 в 5 вольт на см), в котором происходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения при напряжении смещения близком к напряжению пробоя может достигать 1000. Однако это значение зависит и от температуры. Температурный коэффициент изменения напряжения пробоя до 0,2 %/оС.

Оптимально выбранные размеры элементов прибора дают возможность получить весьма хорошие параметры.


Фотодиоды с барьером Шоттки.



На подложке сильно легированного кремния n+ выращивается тонкая эпитаксиальная пленка выскокомного полупроводника Н типа. Затем, на тщательно очищенную поверхность Н типа напыляют тонкую (0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх нее антиотражающее покрытие. Контакт «металл – проводник» обладает выпрямляющими свойствами. Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с диодами на ПН переходах, является отсутствие инжекции не основных носителей. Диоды Шоттки используют движение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием не основных носителей в базе диода.


Фотодиоды с гетероструктурой.


Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходный слой образованный полупроводниковыми материалами с разной шириной запрещенной зоны.



На подложке арсенида галлия Н+ типа (Ng = 10 в -18 куб см) методом ждкостно-фазной эпитаксии последовательно наращивают сначала чистый нелегированный галлий Н типа, затем слой П+ типа твердого раствора GaAlAs – этот слой играет роль широкозонного окна пропускающего излучения поглощаемого средней Н областью. Толщина средней области выбирается таким образом, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. Высокая степень частоты этой области обеспечивает малые рекомбинационные потери генерируемые светом носителей. Фоточувствительность гетрофотодиодов определяется эффективным временем жизни носителя в среднем слое, а время переключения этого слоя и напряженностью электрического поля.

Применение совершенных гетроструктур открывает возможность создания фотодиодов с КПД близким к 100%. Сочетание малого времени рассеиваний неравновесных носителей зарядов и малого значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродействие гетерофотодиодов. Такие приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары полупроводников материалов можно получить фотодиоды работающие в любой части оптического диапазона длин волн.

Недостаток – сложность изготовления.


Фототранзисторы.


Фотоприемные приборы, использующие транзисторные структуры с возможностью усиления тока, называются фототранзисторами.

Эти приборы могут содержать один или несколько транзисторов включенных обычно по схеме с общим эмиттером.

Схема одного фототранзистора.



Составной фототранзистор.



Диодный транзисторный фотоприемник



В простейшем фоторезисторе оптическое излучение попадает в рабочую область структуры базы. Здесь обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются ПН переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением концентрации за счет механизма электрического усиления. Дырки уходят через переход в П область, а электроны остаются в базе.

Поле создаваемое объемов зарядов электронов не может уменьшить заряд в базе за счет тока в базе. Поэтому поле объемных зарядов снижает потенциальный барьер эмиторного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок, в данном случае, играет роль тока базы. Выходные характеристики фоторезистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора.

Интегральная чувствительность фототранзистора, где Sфд – токовая чувствительность фотодиода образованная эмиторным переходом транзистора и b(бета) – усиление тока транзистора. Sф=Sфдb

Семейство вольтамперных характеристик фоторезистора.



Iк – ток коллектора

Uк – напряжение на коллекторе.

Ik max – максимально допустимый ток на коллекторе.

U к мах – соответственно напряжение


Особенностью коллекторных фоторезисторов является – отсутствие ярковыраженного участка насыщения коллекторного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе. Это объясняется нелинейностью люкс-амперной характеристики. Фототок нарастает быстрее при больших освещенностях, чем при малых.

Повышение чувствительности это главное преимущество по сравнению с фотодиодами. При этом чувствительность у составных фоторезисторов выше, чем у одного тока транзистора. Однако это достигается за счет снижения температурной стабильности прибора. Еще один недостаток – низкое быстродействие фототранзистора.

Повышение быстродействия повышается за счет диодно-транзисторных фотоприемников.


Металл диэлектрик полупроводник (МДП) транзистор.

Бывают двух видов



МДП со встроенным и инверсионным (индуцированным) каналом. Основой его сложит подложка из материала проводимости П в которой сформированы каналы Н и две области Н+, выполняющие функции тока съемов канала. Один из них сток другой исток. Затем структуру покрывают слоем диэлектрика, в котором над токосъемами вытравляют окна и наносят на них металлическую контактную пленку. Над каналами наносят металлический электрод. При подаче на затвор положительного напряжения канал обогащается электронами и его сопротивление уменьшается. При подаче отрицательного напряжения Н канал обедняется, сопротивление его растет. Соответственно изменяется ток между стоком и истоком.

МДП без канала.



В этой структуре канал технологически не встраивается. При нулевом напряжении на затворе U3=0 токосъем из материала с проводимостью Н+ разъединены областью с проводимостью П и ток между ними не протекает. При напряжении на затворе больше нуля концентрация дырок у поверхности и электронов в приповерхностном слое может стать больше чем дырок. Полупроводник приобретает проводимость, индуцирует проводящий канал проводимости Н. В отличие от транзистора со встроенным каналом, такой транзистор работает только при одной полярности напряжения на затворе. Освещенность канала так же приводит к увеличению его проводимости.



Характер зависимости темнового тока и фототока от напряжения на затворе.

Темновой ток увеличивается по мере увеличения напряжения на затворе, а затем происходит насыщение. Зависимость фототока имеет максимум напряжения на затворе.


Однопереходный фототранзистор.

В простейшем варианте представляет собой стержень из полупроводникового материала с металлическими контактами на противоположных концах (Б1 и Б2) и ПН переходами между ними с выпадами эмиттером. ПН переход включен в прямом направлении.



Вольтамперные характеристики.



Вольтамперные характеристики прибора имею S образный вид. При облучении нижней части базы концентрация носителей заряда в ней растет и напряжение срыва уменьшения (рисунок а). Генерируемые под воздействием света не основные носители ускоряются электрическим полем в направлении базы Б1 и обратный ток не изменяется. При облучении в части базы расположенной на против эмиттера (рисунок б) при обратном его включении часть неравновесных не основных носителей переходят в контакты базы Б1, а часть попадает в область объемного заряда ПН перехода и увеличивает его обратный ток. Для изготовления используют Si и Ge.

Эти приборы используют в ключевых приемниках в ближней и ИК области света, а так же в оптопарах.