Фотоэдс в неоднородных полупроводниках (объемная фотоэдс)

Объемная, или распределенная, фотоэдс возникает в неоднородных полупроводниках, в которых градиент удельного сопротивления отличен от нуля. Этот тип фотоэдс рассмотрим на примере тонкой пластинки, на поверхность которой падает свет в виде узкой полоски. Полоска света удалена от торцов образца, по крайней мере, на несколько диффузионных длин, так что фотоэлектроны и фотодырки рекомбинируют, не достигая торцов. Экспериментально доказано, что в такой ситуации между концами образца появляется напряжение, которое тем больше, чем больше градиент удельного сопротивления в месте положения световой щели (рис. 8).

Рисунок 8.

 

Рассматриваемая ситуация изображена на рис.9.

Рисунок 9. К влиянию локального градиента сопродивления на величину фотоЭДС .

Предположим, что сопротивление образца изменяется с координатой вследствие изменения концентрации темновых носителей, например, из-за неравномерного легирования полупроводника. Это означает, что энергетические зоны будут наклонены относительно постоянного уровня Ферми, т.е. в образце будет существовать внутреннее электрическое поле. При отсутствии освещения это поле не вызывает появления тока, т. к. обусловленный им дрейф в точности компенсируется током диффузии. Однако при освещении полупроводника это равновесие нарушается и возникают потоки фотоэлектронов и фотодырок, направленные в разные стороны. Если на рисунке градиент сопротивления направлен слева направо, то под действием внутреннего электрического поля (оно существует из-за неравномерности легирования полупроводника в месте освещения) электроны будут двигаться к левому концу образца и заряжать его отрицательно, а дырки - к правому концу, создавая на нем положительный заряд (рис. 10).

Рисунок 10.

Значение тока на границе освещенного слоя можно найти из условия баланса для фотодырок. Если N - полное число электронно-дырочных пар, сгенерированных светом во всем слое 2 а в одну секунду, то

,

где S - площадь сечения образца. Поэтому окончательно имеем следующее выражение для объемной фотоэдс:

.

 

Напомним, что здесь - градиент темнового сопротивления образца в месте освещения.

Для дырочного полупроводника мы получили бы такую же формулу, но с заменой диффузионной длины дырок на диффузионную длину для электронов.

По порядку величины для Ом и см составляет единицы милливольт.

Данную фотоэдс можно использовать для исследования неоднородностей удельного сопротивления полупроводниковых пластин. Этот способ значительно проще, чем способ, основанный на пропускании тока по полупроводнику и исследовании металлическим зондом картины распределения по поверхности электростатического потенциала. Он позволяет судить о степени неоднородности не внося изменений в полупроводниковый образец, поскольку оптический метод по своей сути является бесконтактным.

 

Фотоэлектромагнитный эффект

Фотоэдс в магнитном поле. Фотоэлектромагнитный эффект называется эффектом Кикоина-Носкова. Принципиальная схема наблюдения этого эффекта представлена на рис.11.

Рисунок 11. Разделение носителей заряда в полупроводнике во внешнем магнитном поле.

Если на проводник падает излучение, соответствующее собственному поглощению, то в тонком приповерхностном слое образуется высокая концентрация неравновесных носителей заряда. Возникающий при этом градиент концентрации приводит к появлению диффузионного потока в направлении падающего излучения. Приложенное в поперечном направлении магнитное поле отклоняет носители заряда в разные стороны в результате действия силы Лоренца. Это приводит к разделению зарядов вдоль оси х. Значит, на левом конце образца будут скапливаться неравновесные дырки, а на правом - неравновесные электроны. Как следствие этого на концах образца появляется разность потенциалов - V_x. Именно это напряжение соответствует фотоэлектромагнитной эдс.

В отличие от эффекта Дембера, для возникновения которого необходимы разные подвижности электронов и дырок, в фотомагнитном эффекте это не обязательно. При заданной интенсивности освещения величина и знак V_x зависят от скорости поверхностной рекомбинации и объемного времени жизни, а так же от величины и направления приложенного магнитного поля:

,

где d – расстояние между электронами, t – толщина пластины в направлении падающего излучения, σ₀ - темновая проводимость образца, J_к.з. – ток короткого замыкания фотомагнитного эффекта для толстых образцов:

,

L - длина амбиполярной диффузии; α – параметр, характеризующий рекомбинацию носителей заряда, .

Барьерная фотоэдс

Освещение влияет на электрические свойства p-n -перехода. При освещении p-n -перехода высота барьера понижается на величину, пропорциональную уровню освещения. Изменение высоты барьера на границе раздела двух типов проводимости называют барьерной фотоэдс. Она возникает в том случае, когда свет генерирует носители заряда вблизи p-n -перехода. Здесь следует различать две принципиально различные схемы включения освещаемого перехода. В первой из них p-n -переход замкнут на внешнюю нагрузку без внешнего источника напряжения, и является преобразователем световой энергии в электрическую (рис. 12, а). Такое включение реализует так называемый фото-вентильный режим работы p-n перехода.

Рисунок 12. Фотовентильный и фотодиодный режимы работы фотодиода.

 

Другая схема во внешней цепи содержит источник напряжения, включенный так, чтобы на p-n -переходе было запорное напряжение (рис. 12, б) – это так называемый фотодиодный режим. В схеме б существующий в цепи ток сильно изменяется с освещением. Поэтому изменяется падение напряжения на сопротивлении R. При правильном выборе напряжения источника и внешнего сопротивления величина сигнала в фотодиодном режиме может быть сделана больше, чем в фотовентильном.

 

Вольт-амперные характеристики освещенного идеализированного n-p перехода приведены на рис. 13. Как видно, два режима работы фотоэлектрических приборов с n-р переходом (фотовентильный и фотодиодный) соответствуют прямой и обратной ветви ВАХ.

Рисунок 13. Вольт-амперные характеристики идеализированного n-р перехода при различных интенсивностях падающего света.

Фотодиоды. Простейший фотодиод представляет собой n-р переход, на который подано обратное напряжение, и ток через структуру является функцией интенсивности света. Световые характеристики фотодиодов линейны в широком диапазоне условий, что выгодно отличает их от фоторезисторов. Темновое сопротивление фотодиода может быть больше, чем у фоторезистора, поскольку оно определяется обратным током n-р-перехода, имеющим, особенно для кремния, малую величину.

Спектральная характеристика фотодиодов имеет максимум. Длинноволновая граница спектральной чувствительности определяется шириной запрещенной полосы полупроводника, а коротковолновая зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации и может быть расширена за счет конструкционно-технологических решений. Параметры фотодиодов зависят от эффективности генерации и разделения зарядов, а также от возможности усиления фототока непосредственно в приборе. Простейший фотодиод работает на сплавном или диффузионном n-р-переходе. Существуют также диоды на многослойных структурах (р-i-n), гетероструктурах, поверхностно-барьерных структурах (диоды Шотки), с лавинным умножением фототока и др.

Рассмотрим некоторые из этих диодов подробней. Для увеличения чувствительности фотодиода может быть использован эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда n-р-перехода. При напряжении, близком к пробойному, происходит лавинное умножение носителей заряда. Коэффициент умножения М и составляет 10³ - 10⁴ для кремния и 300-400 для германия и определяется выражением

(8)

К недостаткам лавинных диодов относятся зависимость коэффициента умножения от фототока и жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0,01 - 0,02%), так как М сильно зависит от напряжения. Высокое быстродействие достигается в фотодиодах с р-i-n структурой, в которых поглощение света осуществляется в области с собственной проводимостью, а создаваемое в ней электрическое поле обеспечивает высокую эффективность использование генерированных зарядов.

Аналогичные эффекты достигаются в р⁺-n-р структурах и фотодиодах на основе гетеропереходов. Высоким быстродействием и высокой (в ряде случаев избирательной) чувствительностью обладают фотодиоды на основе барьера Шоттки. В таком диоде свет проходит через тонкую металлическую пленку и поглощается в слое полупроводника. Образующиеся при этом дырки, попадая в металл, мгновенно рекомбинируют. Используя металлические пленки с резонансным спектром пропускания, можно создавать фотодиоды, чувствительные в узком диапазоне длин волн.

Все рассмотренные фотодиоды (кроме лавинных) обладают сравнительно малой чувствительностью, а лавинные диоды отличаются очень жесткими требованиями к стабильности напряжения питания и температуры.

Этих недостатков лишены инжекционные фотодиоды, разработанные в последние годы. Инжекционный фотодиод представляет собой диод с длинной базовой областью из высокоомного полупроводника. Длина базы в несколько раз превышает диффузионную волну неосновных носителей заряда. Переход р-n типа включается в прямом направлении, при этом проводимость базовой области определяется инжектированными р-n-переходом носителями. Освещение приводит к изменению сопротивления базы как за счет непосредственного увеличения концентрации носителей (фоторезистивный эффект), так и за счет изменения параметров, определяющих распределение неравновесных носителей в базовой области, таких как время жизни и биполярная подвижность носителей заряда. Поскольку n-р -переход включен в прямом направлении последовательно с сопротивлением базы, то изменение последнего приводит к увеличению тока инжекции и дальнейшему снижению сопротивления базы. Таким образом, обеспечивается усиление первичного фототока, причем вклад инжектированных носителей в увеличение интегральной проводимости во много раз превышает вклад носителей, генерируемых световым облучением. В качестве базы используются высокоомные скомпенсированные полупроводники (полуизоляторы), например германий, компенсированный золотом, ртутью, медью или кремний, содержащий глубокие уровни цинка, бора и др. Усиление фототока в инжекционных фотодиодах может достигать нескольких порядков величины, а чувствительность 100 А/лм.

Фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзистор – это полупроводниковый фотоприбор с двумя или более n-р -переходами. Области применения фототранзисторов – чувствительные элементы оптопар и фотоприемников, в том числе элементы приемного модуля волоконно-оптических линий связи и т.д. Различают биполярные и полевые фототранзисторы.

Устройство биполярного фототранзистора и его выходные характеристики показаны нa рис. 14.

Рисунок 14. Устройство (а), схема (б) и выходные характеристики (в) биполярного фоторанзистора.

Фототранзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером, база свободна. Световое облучение вызывает генерацию носителей заряда в области базы коллекторного перехода. Эти носители разделяются полем коллекторного перехода следующим образом: неосновные носители проходят через переход и создают коллекторный фототок, а основные накапливаются в базе, частично компенсируя заряд неподвижных ионов примесей вблизи эмиттерного перехода. При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается и происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу и проходят коллекторный переход, создавая ток, многократно превышающий первичный фототок. Общий ток коллектора – это сумма фототока неосновных носителей заряда и тока, создаваемого инжектированными эмиттером носителями. Общий коэффициент усиления транзистора соответствует статическому коэффициенту передачи по току в схеме с общим эмиттером. Световые характеристики биполярных фототранзисторов линейны только в ограниченной области световых потоков.

К фототранзисторам может быть отнесен и фототиристор – четырехслойная структура, работающая в ключевом режиме и управляемая световым потоком

Существует много различных структур полевых фототранзисторов с n-р -переходом или МДП - типа. Один из вариантов показан на рис.15.

Световой поток генерирует неравновесные носители в области затвора и n-р -перехода канал-затвор. В цепи затвора в результате разделения зарядов появляется фототок, и ток через канал возрастает. При этом уменьшается напряжение на стоке, которое и является выходным сигналом прибора. В общем случае фототранзистор можно представить себе как сочетание фотодиода с усилительным транзистором в одном приборе.

Рисунок 15. МДП-фототранзистор со встроенные затвором.   Основные элементы схемы: Э, С, И – эммитер, сток и исток транзистора, Е э – эдс источника питания, подключенного к эммитеру, Е с эдс источника, подключенного к стоку, R н – нагрузочное сопротивление в цепи эммитера, R н.тр – нагрузочное сопротивление цепи питания стока транзистора.

Оптоэлектронные пары. Оптоэлектронная пара содержит светоизлучатель и фотоприемник, связь между которыми осуществляется оптически, а элементы ее гальванически полностью развязаны. Оптопары используются как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, системах передачи аналоговой информации, системах автоматики. Они являются составным элементом оптических микросхем. Устройство оптопары показано на рис 16.

Рисунок 16. Схема оптопары. 1 – металлические электроды; 2 – светоизлучатель; 3 – прозрачные электроды (оксид олова); 4 – оптическая среда (стекло или полимер); 5 – фотоприемник.

 

В качестве светоизлучателей в оптопаре могут быть использованы светодиоды или лазерные диоды, а в качестве фотоприемников - фотодиоды, фототранзисторы и другие приборы.

Оптоэлектрические пары обеспечивают почти идеальную гальваническую развязку, невосприимчивы к воздействию электрических помех, хорошо совместимы с интегральными микросхемами и имеют широкие функциональные возможности. Имеется ряд пар источник-фотоприемник, достаточно хорошо согласующихся друг с другом.

В качестве примера можно привести следующие пары:

1. Кремниевый р-i-n фотодиод хорошо согласуется со светодиодами GaAs(Zn), GaAlAs, GaAsР и спектрально, и по быстродействию.

2. Кремниевые фототранзисторы и фототиристоры хорошо согласуются с излучателями на основе GaAlAs.

3. Фоторезисторы на основе CdS, CdSe спектрально хорошо согласуются с излучателями GaР, GaAsР, но имеют сравнительно невысокое быстродействие.

В зависимости от типа фотоприемника оптопары могут быть резисторными, диодными, транзисторными, тиристорными. Наряду с дискретными оптопарами активно разрабатываются цифровые и аналоговые оптоэлектронные интегральные микросхемы. К специальным оптоэлектронным устройствам можно отнести приборы с гибким световодом, многоканальные, с открытым и управляемым оптическим каналом.

В настоящее время p-n- переход – один из наиболее широко используемых фотодатчиков, т.к. он обладает высокой чувствительностью и приемлемым быстродействием, не требует внешних источников напряжения (как фоторезистор) или наличия магнитного поля (как фотоэдс Кикоина-Носкова), технологически совместим со схемой обработки сигналов.