Гетеропереходы в области гомогенных переходов 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Гетеропереходы в области гомогенных переходов



 
 

Такие переходы образуются при контакте материалов с различной DW, различными зонными структурами, эффективными массами носителей по обе стороны границы, подвижностями и др., но с одинаковым химическим составом. Различие свойств в таком случае обуславливается различными вводимыми примесями. Пр.показан на.рис. В зонной диаграмме резкого гетероперехода за счёт различия электронног о сродства контактирующих полупроводников появляются разрывы в валентной зоне (DWс) и в зоне проводимости (DWv). Это приводит к различию в высоте потенциальных барьеров для электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Использование гетеропереходов улучшает характеристики фотоприёмников и фотопреобразователей, возможна разработка новых типов фотоприборов. Наличие широкозонного окна для фотонов DW1>hn>DW2 обеспечивает эффективное фотопреобразование, т.к. место генерации носителей и область, где они разделяются (область пространственного заряда) совмещены. Облегчаются требования к длине дрейфа-максимальное быстродействие,на их основе можно создавать фотоприёмники, чувствительные в наперёд заданной области спектра, т.н. «селективные» фотоприёмники. Металл-полупроводниковые контакты (диоды Шотки). Широко используются при создании фотоприёмников. Обычно поверхность полупроводника покрыта слоем окисла, образующего между металлом и полупроводником диэлектрическую прослойку. На границах диэлектрического слоя с металлом и полупроводником, а также внутри его существуют поверхностные электрические состояния (ПЭС). Они принимают участие в обмене носителями между металлом и полупроводником. Чтобы это убрать, оксидный слой в технологии перехода исключают.Сейчас распространены такие фотоприёмники с двумя видами фотопереходов в барьерах Шотки. Во-первых, используются межзонные переходы в полупроводниках, во-вторых, используется фотоэмиссия из металла в полупроводник. Каждый из этих переходов даёт вклад в фототок в различных областях спектра. Длинноволновая граница собственно фотоэффекта определяется DW полупроводника, а для фотоэмиссии у металла - высотой потенциального барьера в полупроводнике со стороны металла, которая меньше DW.

Фотоэлектрические явления в поликристаллических, многослойных и неоднородных структурах. Фотоприёмные устройства на основе тонкоплёночных полупроводниковых конструкций широко применяются для различного рода регистрации оптических сигналов. Используются напылённые плёнки, спечёные слои и монокристаллические в органических биндерах. Это приводит к возникновению периодически изменяющихся зонных структур. Особенности структуры таких материалов определяют механизмы токопрохождения и фоточувствительности, отличающиеся от свойств монокристалловПоверхностные эффекты здесь имеют исключительно большое значение, т.к. велико отношение площади к объёму. Фоточувствительность монокристаллических порошкообразных фотопроводников повышается с увеличением приложенного напряжения. Для получения такой же, как в монокристаллах фоточувствительности необходимы поля порядка 104В/см. Механизмы генерации фотоносителей в распространённых структурах можно проиллюстрировать согласно рис.20.

16.Фотоэлектрические явления в МДП-структурах. Если к металлическому слою приложить постоянное положительное смещение, электроны будут аккумулироваться у поверхности раздела полупроводника с диэлектриком. Из-за увеличения их концентрации у поверхности полупроводника возрастёт поверхностная проводимость. Это состояние называется «состоянием обогащения». Если к металлу теперь приложить небольшое отрицательное напряжение, в полупроводнике начнёт индуцироваться положительный заряд. Это - индуцированныей неподвижный заряд доноров, возникающий из-за отталкивания от поверхности раздела отрицательным напряжением на металлическом слое. Под поверхностью образуется слой свободный от подвижных электронов. Это - обеднённое состояние. При увеличении отрицательного напряжения уровень Ферми может оказаться ниже середины запрещённой зоны Wi. -вблизи поверхности дырок будет больше, чем электронов, т.е. знак проводимости приповерхностной области изменяется на противоположный и образуется слой p-типа-инверсия приповерхностной проводимости.

На поверхности полупроводника имеются поверхностные частично заполненные ПЭС - уровни, расположенные в запрещённой зоне. Они возникают, во-первых. из-за нарушения (разрыва) периодичности кристаллической решётки и, во-вторых, из-за адсорбции различных примесей из окружающей среды в момент изготовления. Акцепторные уровни Wt на поверхности также расположены ниже уровня Ферми. Приповерхностный слой обеднён электронами и в нём образуется положительный заряд. Возникшее электрическое поле создаёт изгиб зон у поверхности величиной qWs, где Ws образует поверхностный потенциал. Т.о. здесь изгиб зон есть и в отсутствие внешнего напряжения. Носители на поверхностных уровнях не участвуют в проводимости

В зависимости от знака и величины внешнего напряжения поверхностная проводимость может уменьшаться, увеличиваться, а также менять знак носителей. Изменение поверхностной проводимости полупроводника является составной частью МДП-структуры при изменении напряжения на ней, что называется «эффектом поля». Это используемо во многих фотоприёмниках, содержащих такие структуры.

Поверхностная ЭДС. Поверхностный потенциал Ws изменяется при появлении избыточных зарядов в полупроводнике. Если избыточные носители появляются за счёт фотоактивного поглощения света-возникающая ЭДС - поверхностной фото-ЭДС. Есть две возможные причины изменения Ws при освещении структуры. Во-первых, это обусловлено появлением избыточных зарядов в приповерхностном слое, т Во-вторых, присутствие избыточных носителей может привести к изменению значения поверхностного заряда qПЭС за счёт захвата части неравновесных носителей на ПЭС.

Компонента поверхностной фото-ЭДС, связанная с изменением поверхностного заряда, может иметь знак обратный изгибу зон Ws и появляться, когда последний вообще равен нулю, поскольку её появление вызвано захватом на поверхности, а не влиянием избыточных носителей на структуру области пространственного заряда (ОПЗ). Для рис:В области больших инверсионных и обогащённых изгибов теоретическая и экспериментальная зависимости совпадают. Имеется также область расхождения зависимостей. Так, при плоских зонах (Ws=0) значение Uф в эксперимента ¹0. Это связано с наложением ЭДС Дембера. С ней связана и перемена знака ЭДС при небольших обедняющих изгибах зон.

17.Характеристики и параметры фотоприёмников. Вольтамперная характеристика: I(U)=Iт + Iф.Спектральная характеристика, определяет спектральную область работы прибора и его спектральную чувствительность.Температурные характеристики - зависимость Iт(Т), Rт(Т), чувствительность от температуры и т.п.. Температурный коэффициент , где I1, I2 - световые токи при Т1 и Т2 соответственно.

Пороговые характеристики - способность фотоприёмника реагировать на световые сигналы слабой интенсивности. Они определяются собственными шумами, являющимися флуктуациями тока в отсутствие засветки или при воздействии немодулированного светового потока. При этом:

-тепловой шум является белым. Его напряжение можно уменьшить нагрузкой фотоприёмника на согласованное сопротивление.

-генерационно-комбинационный (дробовой) шум. Определяется флуктуациями концентрации и времён жизни носителей. На частотах порядка 1/2pt дисперсия тока I0 - среднее значение тока, t - время жизни носителя, t - время пролета межэлектродного промежутка, Df - полоса частот. На низких частотах (f>>1/2pt) дробовой шум переходит в белый.

-радиационный шум, обусловлен флуктуациями потока излучения. Его спектр мощности обычно имеет постоянную амплитуду, слабо зависящую от частоты.

-избыточный (токовый) шум - модуляционный и контактный шумы, порядка 1/f.

Частотные характеристики - зависимость фоточувствительности от частоты модуляции светового сигнала. Это также мера инерционности фотоприёмника.

Рабочее напряжение фотоприёмника Uр - напряжение, приложенное к фотоприёмнику, при котором обеспечиваются декларированные номинальные параметры при длительной работе и заданных эксплуатационных условиях.

Максимально допустимое напряжение Umax - напряжение, при котором параметры прибора не выходят за пределы допустимых отклонений. В импульсном режиме, как правило, Umax может быть увеличено.

Мощность рассеивания - выделяемая при прохождении фототока. Определяет разогрев фотоприёмника. Каждый фотоприёмник характеризуется предельным значением максимальной рассеиваемой мощности, при которой не происходит необратимого изменения Iт и Iф.

Темновое сопротивление Rт - сопротивление в отсутствие засветки в диапазоне спектральной чувствительности.

Дифференциальное сопротивление RД - DU/DI.

Коротковолновая граница спектральной чувствительности (0,1 от максимального значения чувствительности).

Динамический диапазон линейности (в дб.) - область значения лучистого потока Ф (от Фmax до Фmin), для которой энергетическая характеристика линейна. При этом .

Максимум спектральной характеристики фотоприёмника - длина волны, соответствующая максимуму чувствительности.

Токовая чувствительность Si (А/лк или А/Вт) - отнесённая к единице падающего потока.

Вольтовая чувствительность SU - значение сигнала в В, отнесённого к единице падающего потока.

Удельная обнаружительная способность D* (см.Гц1/2Вт-1). Возможность использования фотоприёмника для обнаружения и регистрации предельно малых сигналов: , где Uф - фотосигнал в В, Uш - напряжение шума на фотоприёмнике в В, S - площадь фотоприёмника в см2.

Пороговая чувствительность Рпор - уровень мощности сигнала, при котором сигнал равен шуму. Рпор - S1/2D*-1.

Инерционность фотоприёмника характеризует постоянную времени фронта tф и спада tсп фотоответа при импульсной засветке. Связана с предельными рабочими частотами модуляции, при которых ещё не происходит уменьшения фотоответа. Обычно tф<tсп, поэтому tсп и определяет интервал, по истечении которого фотосигнал уменьшается в e раз.

Напряжение шума фотоприёмника Uш- среднеквадратичное значение флуктуаций напряжения на заданной нагрузке в цепи фотоприёмкина в указанной частотной полосе.

Ток шума фотоприёмника Iш - среднеквадратичное значение флуктуаций тока на заданной нагрузке в цепи фотоприёмника в указанной полосе частот.

Эффективная фоточувствительная площадь sЭфф - площадь фоточувствительного элемента по фотосигналу эквивалентная чувствительности некоего фотоприёмника, чувствительность которого равномерно распределена по фоточувствительному элементу, и равная значению локальной чувствительности Smax данного фотоприёмника , где S(x,y) - чувствительность фотоприёмника к потоку при области точечной фоточувствительности с пятном площадью dxdy, s - рабочая площадь всего фотоэлемента.

Эффективное поле зрения фотоэлемента Wэфф - телесный угол, определяемый как , где q - угол падения света на поверхность, j - азимутальный угол.

Коэффициент фотоэлектронной связи многоэлементного фотоприёмника kфс - отношение Uсигн - с необлучаемого элемента многоэлементного фотоприёмника к Uсигн с соседнего облучённого элемента, определяемый на линейном участке энергетической характеристики и при рабочем напряжении на его электродах.

Фоторезисторы

Являются наиболее простым типом приёмников излучения. Их действие основано на изменении фотопроводимости полупроводникового элемента. Изготавливаются в виде поликристалличесикх плёнок, спечённых (опрессованных) таблеток, монокристаллических пластинок. Используется фоточувствительность как в области собственного поглощения, так и в примесной области.. Высокая селективность присуща монокристаллическим фотоприёмникамСхемы включения ФР разнообразны, но можно выделить основные: схему деления напряжения, мостовую, дифференциальную, трансформаторную, импульсную.

В схеме деления напряжения ФР является одним из плеч делителя напряжения, и схему используют для непосредственного отсчета сигнала (рис. 24). Значение сопротивления нагрузки (Rн) в схеме деления напряжения: Rн = Rт, где Rт – темновое сопротивление ФР. Мостовые схемы включения ПИ широко распространены в измерительной технике. В неосвещенном состоянии ФР мост должен быть уравновешен с учетом постоянной фоновой засветки.Мостовая схема позволяет измерять малые сигналы от объекта при относительно большом фоне, при этом в диагональ моста можно включить высокочувствительные измерительные приборы, что не допускается при прямых измерениях из-за большого начального тока, обусловленного фоновой засветкой.

Чтобы устранить зависимость градуировки измерительной шкалы от потока излучения фона, включают в, разные плечи моста одновременно два ФР.В этом случае возможно освещение одного ФР только фоном, а второго — излучением фона и объекта вместе. Если же оба ФР освещать одновременно излучением фона и объекта, то это дает двойное увеличение чувствительности схемы, однако необходимо учитывать, что компенсация постоянной засветки в этом случае обеспечивается корректировкой фазы излучения падающего на второй ФР либо постановкой последнего в противоположное плечо моста.

Для компенсации действия потока фона на ФР применяют дифференциальную схему их включения с неизменным питающим напряжением каждого контура. Дифференциальную схему используют как непосредственную, а также как схему сравнения. В дифференциальной схеме фототоки от фона от обоих ФР текут в противоположных направлениях и при идентичности контуров постоянный ток от фона в Rн будет равен нулю. Фототок в Rн возникает от излучения объекта, которое поступает на один ФР или на оба в противофазе.

В случае применения трансформаторной схемы включения ФР получают определенный выигрыш в чувствительности по напряжению за счет того, что к ФР подводят почти все напряжение источника питания.Сопротивление разобщено с цепью питания ФР, и его изменение не сказывается на режиме работы ФР. Кроме того, постоянный фототок от фона не дает падения напряжения на , а оно возникает при наличии модулированного излучения объекта.

Фототранзисторы- полупроводниковый ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта, совмещающий в себе свойства ФД и усилительного триода. Различают униполярные и биполярные ФТ. Униполярные ФТ создаются на основе МДП-структур.

Биполярный фототранзистор- полупроводниковая структура, в которой существует 2 p-n перехода (см. рис. 35). Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор. Транзистором - часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Возможны три схемы включения фотодиода как двухполюсника, когда один из выводов остаётся свободным: со свободным коллектором, со свободным эмиттером и со свободной базой. Первые из двух схем не отличаются от схемы включения p-n-перехода в фотодиодном режиме. Ток во всех участках равен поэтому h21Б - коэффициент передачи (усиления) эмиттерного тока.При освещении базы фототок увеличивает обратный ток коллекторного перехода, включённого в обратном направлении, т.к. фототок суммируется с коллекторным током. Тогда вместо тока IКБОÞIКБО+IФ;

.

При IКБО<<IФ ,

где h21Э - коэффициент передачи базы: ток в фототранзисторе усиливается в h21Э раз сравнению с фотодиодом. Соответственно во столько же раз увеличивается и интегральная чувствительность. Недостатки: нестабильность параметров при изменении температуры; неравномерность чувствительности по полю из-за экранирования освещаемой базы коллектором (при освещении базы со стороны коллектора) или эмиттером (при освещении базы со стороны эмиттера); увеличенный по сравнению с ФД порог чувствительности из-за значительных шумов; большую постоянную времени (10-4 – 10-6 с).

19. Фотодиоды - полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р - n перехода, при освещении которого появляется э. д. с. (фотогальванический режим) или (при наличии питания) изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим)..

При работе ФД в фотодиодном режиме к нему прикладывают обратное напряжение. В этом случае в отсутствии освещения через р - п переход и сопротивление нагрузки протекает обратный дырочный ток Is. При освещении же n-области через р - n переход и сопротивление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неосновных носителей Iф. Суммарный ток в цепи будет определяться их суммой. Выражение для вольт-амперной характеристики ,

где V - напряжение внешнего источника, e – заряд электрона, k - постоянная Больцмана, Т – температура. Схема включения ФД в фотодиодном режиме приведена на рис. 28, а вольт-амперные характеристики соответствуют области I на рис. 29.

Для повышения вольтовой чувствительности, необходимо увеличить сопротивление нагрузки RH. Максимальное его значение связано с максимальным потоком излучения: где SI – токовая чувствительность ФД. При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт-амперной характеристикой, соответствующей максимальному потоку Фmax излучения, должна лежать в области диодного режима.

Схема включения ФД в фотогальваническом режиме приведена на рис. 30. При подключении к контактам фотодиода нагрузки RН и отсутствии освещения через р -n-переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей IS, называемый темновым током. При освещении появляется дополнительный фототок неосновных носителей IФ = SIФ. Соответствующие вольт-амперные характеристики соответствуют области II на рис. 29. Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме

. (Если RH = ∞, то ток во внешней цепи I = 0, а вместо VR в (3) можно подставить значение VХ.Х. - напряжения холостого хода (фото-э. д. с.), тогда

.

Напряжение холостого хода Vx.x ФД в фотогальваническом режиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р - n - перехода. Оптимальное значение нагрузочного сопротивления также как и в случае фотодиодного режима определяется интенсивностью светового потока:

Постоянная времени ФД τФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до р-п перехода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации τр (RC- цепочка ФД). Время пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неосновных носителей, образующих фототок.

Форма частотной характеристики и fгр зависит от параметров самого ФД, от приложенного обратного напряжения питания, от спектрального состава падающего на ФД излучения (меняется глубина проникновения излучения), от формы модуляции излучения и т. д. Высокочастотные фотодиоды Для того чтобы уменьшить постоянную времени ФД, уменьшают толщину базы, чтобы образовавшиеся на поверхности носители быстрее дошли до р - n перехода и там рекомбинировали. Расширяют р - n переход за счет подачи высокого обратного напряжения, чтобы излучение в большей степени поглощалось в нем. Делают базу прозрачной для регистрируемого излучения с тем, чтобы излучение поглощалось в самом р - n переходе. В настоящее время высокочастотные ФД изготавливают на основе гетеропереходов, барьеров Шоттки, поверхностного барьера, создаваемого ионным легированием, и на основе р - i - n -структур.У поверхностно-барьерных ФД (ПБФД) контактный барьер располагается на поверхности полупроводника. Их изготавливают на основе эффекта Шоттки или специальной обработкой, когда поверхностный слой полупроводника в отличие от объемного приобретает иной знак. На рис. 32показано схематическое устройство ПБДФ на эффекте ШотткиУвеличить ширину потенциального барьера можно в ФД р - i - n типа, представляющих собой собственный полупроводник i с большим удельным сопротивлением (в 106- 107 раз более высоким, чем п- и р -области), ограниченный с двух сторон сильно легированными слоями п- и р -типов (рис. 33 ). На п- и р-области наносят контакты. В таких ФДпри приложении к контактам напряжения смещения сильное равномерное внутреннее электрическое поле электронно-дырочного перехода сосредоточено в i -области. Лавинные фотодиоды (ЛФД) позволяют реализовать внутреннее усиление фототока за счет электрического пробоя р - n перехода и образования лавинного процесса размножения поступающих в р - n переход неосновных носителей. В ЛФД используются либо широкий р - n переход, либо р - i - n -переход, либо поверхностный барьер Шоттки. Так как дырки имеют больший коэффициент ударной ионизации, освещаемая область становится n -типа.

Полевой фототранзистор. Прибор с p-n-переходом, в функциональном отношении основан на управлении размерами токопроводящей области посредством управления размерами изменения напряжённости поперечного приложенного электрического поля и освещения перехода. Состоит из полупроводникового бруска с омическими контактами на торцах и p-n-переходом на боковой грани - рис. 36.. Боковой p-n-переход (затвор) включается в обратном направлении. Так, между омическими контактами (n- сток, С - исток) протекает по каналу, остающемуся между областями объёмного заряда и противоположной гранью бруска. При изменении отрицательного напряжения UЗ (входная цепь) ширина области объёмного заряда также изменяется. Соответственно изменяется и ток входной цепи.Высокое входное сопротивление (порядка Мом) и p-n-переход включён в обратном направлении. Очень слаба температурная зависимость и велика радиационная стойкость за счёт малой зависимости tp,n, mp,n. Велика предельная частота, т.к. отсутствует инжекция и мала электрическая ёмкость на входе (постоянная времени ~10-7 с). В качестве затвора может быть использован барьер Шотки, который обладает высокой фоточувствительностью в соответствующих областях спектра и обеспечивает высокое быстродействие. Недостатки: нелинейность его энергетических характеристик, так как при больших уровнях потока излучения потенциал затвора становится столь малым, что его изменение уже не влияет на ток стока, который близок к максимальному значению.

20. Координатно-чувствительные фотоприёмники.- фотоприёмники, в которых входной сигнал зависит от местоположения облучённого участка светочувствительной поверхности. В такой класс включают датчики для определения местоположения светящихся объектов в пространстве используются в приборах измерения деформации, в качестве преобразователей колебаний в двух координатах, в автоматизированных спектральных комплексах и др. Он содержит p-n-переход за счёт низкоомной подложки p-типа и высокоомный слой n-типа. Фотонапряжение Uф снимается с контактов 1-2 n-области. Принцип действия: удельные сопротивления rn >>rp и толщины слоёв dn<<dp. Тогда p-область является эвипотенциальной поверхностью, а n-база - поверхностью, на которой распределены диоды и резисторы согласно эквивалентной схеме.

U1-2- алгепбраической суммой напряжений на всех участках резистивной цепочки. Тогда .При перемещении луча в точку с резисторами R2 и R3 слагаемое i2R2 будет с отрицательным знаком и U12 уменьшается. При перемещении луча в центр пластины (x=0) число положительных и отрицательных членов в (2-29) станет одинаковым и U12=0. При дальнейшем смещении в сторону контакта 2 знак U12 изменяется на противоположный. «Крутизна характеристики перемещения» при заданном уровне засветки возрастает с ростом rn и уменьшением толщины базы dn. U12 всегда меньше значения фотоЭДС диода за счёт рекомбинационных и других потерь. Чувствительность прибора с продольным фотоэффектом - до 1 - 1,5 мВ/мВт.мм. Недостаток - температурный дрейф координатной точки U12.

21. Многоэлементные фотоприёмники (МПИ ), работающие без накопления сигнала- называют приемниками «мгновенного действия», имея в виду, что в выходных цепях регистрируются установившиеся значения сигнальных токов и напряжений. МПИ мгновенного действия можно подразделить на две группы: с параллельным и последовательным опросом элементов.

МПИ с параллельным опросом. При использовании таких МПИ обеспечивается одновременное подключение всех рабочих элементов к своим каналам усиления,наиболее эффективны в быстродействующих оптико-электронных приборах и системах, например в системах оптической пеленгации. Однако необходимость одновременно подключать все элементы весьма затрудняет реализацию МПИ с большим числом элементов при малом шаге пространственной структуры. В рамках данной группы МПИ наиболее распространены четырехэлементные фотодиоды, которые с успехом используются в качестве быстродействующих координатно-чувствительных фотоприемников в различных оптико-электронных измерительных системах.

Такой фотодиод представляет собой четырехэлементный фотоприемник, реализованный на одной подложке. Рабочая площадка фотодиода состоит из четырех квадратных элементов (А, В, С, D). Приборная система координат обычно совмещается с центром рабочей площадки. Чтобы обеспечить условия независимого измерения смещений по двум направлениям, изображение марки целесообразно формировать квадратной формы со стороной, равной стороне одного элемента фотодиода. При этом координаты центра изображения Δх и Δy (отклонения центра марки от центра координат)вычисляют простейшими арифметическими операциями - сложением и вычитанием сигналов, снимаемых с элементарных площадок.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-12-30; просмотров: 191; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 54.166.141.52 (0.042 с.)