Принцип работы фотоприемных приборов

Работа фотоприемных приборов (фотоприемников) основана на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носи­тели заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих пе­реходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, ка­ждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу λ_гр, определяе­мую формулой

(4.11)

где λ_гр - выражается в мкм; Е₂, Е₁ - в эВ.

Разность Е₂ – Е₁ - энергетический зазор при переходе «зона-зона» (1) или «примесный уровень-зона» (2, 3) (рис. 4.12, а). Е₂ соответствует Е_пр; Е₁ - то же Е_вал.

Рассмотрим принцип действия фотоприемного прибора на основе р-n-перехода (рис. 4.12,6). При поглощении фотона в полупроводнике образуются пары электрон-дырка. При их разделении возникает фототок, причем электроны перемещаются в n-области, а дырки - в р-области.

Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае, если эта пара образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием элек­трического поля. Альтернативой разделения является обычная рекомбинация пары элек­трон-дырка, при которой не происходит какого-либо смещения заряда и, таким образом, не вносится вклад в фототок Электрическое поле распределяется в кристалле полупровод­никового прибора неравномерно. В диффузионных областях р- и n-типа поле намного сла­бее, чем в области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для эффектив­ной работы фотоприемника необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в обедненном слое, т.е. фотоны не должны поглощатъся, пока не вышли за пределы обеднен­ного слоя.

Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины волны. Фотоны с малой длиной волны поглощаются вблизи поверхности а фотоны с боль­шей длиной волны могут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень тонкий слой, допускающий проникновение фотонов с малой длиной волны, и толстый обедненный слой для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.

Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника в этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, когда обратное смещение не приложено. Это обусловлено наличием «встроенного» поля, которое образуется вследствие диффузии через переход неосновных носителей. Напряжение обрат­ного смещения расширяет обедненную область.

Размеры обедненного слоя при любом напряжении больше в тех пpиборах, у которых вблизи р-n-перехода материал имеет более высокое удельное сопротивление. В то же вре­мя на обеих противоположных поверхностях кристалла для изготовления омических кон­тактов требуется низкое удельное сопротивление. Фотоприемники с р-n-переходом, напри­мер солнечные батареи, изготавливают методом диффузии примеси р-типа в материал n-ти­па c низким удельным сопротивлением. Малая толщина диффузионного р-слоя обеспечива­ет высокую чувствительность к фотонам с малой длиной волны, но, чтобы расширить обед­ненную область для создания высокой чувствительности к фотонам с большой длиной вол­ны, требуется относительно высокое обратное смещение. Глубокая диффузия примеси р-ти­па ухудшает чувствительность к излучению с малой длиной волны, но благодаря созданию «плавного» перехода дает возможность уменьшить напряжение смещения, необходимого для обеспечения хорошей чувствительности к излучению с большой длиной волны. Для по­вышения чувствительности к фотонам с малой и большой длинами волн при низком обратном смещении между р- и n-областями используют слой с высоким удельным сопротивле­нием, получивший название i-слоя. Фотоприемники, имеющие i-слой, получили название p-i-n-структур. Такой прибор имеет тонкую диффузионную р-область (на которую падает поток излучения) и более толстую диффузионную n-область с другой стороны высокоомной кремниевой пластины. В фотоприемниках с р-i-n-структурой i-слой имеет такое высоко удельное сопротивление, что даже при нулевом смещении обедненный слой распространя­ется от р-слоя примерно на половину глубины i-слоя. При обратном смещении до 5 В обед­нение распространяется вплоть до n-слоя и наблюдается эффект «смыкания». Поскольку пробивное напряжение превышает 200 В, часто желательно устанавливать режим работы при обратных напряжениях, превышающих напряжение смыкания, чтобы поддерживать полное обеднение i-слоя даже при высоких уровнях потока излучения. Это обеспечивает наилучшую линейность и быстродействие.

Качество фотоприемника может быть оценено введением параметра квантовая эффек­тивность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фотото­ка. Квантовая эффективность η, таким образом, измеряется как число электронов на фотон. На практике часто используют в качестве основного рабочего параметра фоточувстви­тельность S_ф, А/Вт,

(4.12)

где λ - длина волны фотона, мкм; I_ф - фототок, А; Ф_е - поток излучения, Вт.

Поиск по сайту: