Фотоэлектрические полупроводниковые приборы

В полупроводниковых материалах происходит два вида конкуренции: фотоны могут либо поглощаться, при этом электрон переходит с уровня Е₁ на уровень Е₂ (на этом процессе основана фотопроводимость), либо излучаться, при этом электрон переходит с уровня Е₂ на уровень Е₁.

Рис. 5.3 Спонтанные и вынужденные переходы

Начальным этапом действия фотоэлектрических полупроводниковых приборов является поглощение квантов излучения и образование свободных носителей заряда в полупроводнике. Появление этих избыточных по отношению к состоянию термодинамического равновесия носителей вызывает повышение удельной проводимости полупроводника. Это явление называется фотопроводимостью.

Избыточные электроны и дырки , образованные в результате взаимодействия с фотонами, могут иметь энергии, значительно больше, чем средняя энергия равновесных носителей заряда. Однако в результате взаимодействия с фононами и дефектами кристаллической решетки за максвеловское время релаксации носителей заряда по энергии ( =10^-10... 10^-12 с) энергия неравновесных носителей заряда становится равной средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. Время жизни неравновесных носителей, как правило, много больше и составляет 10^-2... 10^-7 с, и, следовательно, можно считать, что распределение по энергиям неравновесных носителей заряда в зонах является таким же, как у равновесных. Таким образом, и подвижности неравновесных носителей не отличаются от подвижности равновесных и .

При воздействии света полная проводимость полупроводника определяется равновесными носителями заряда , и неравновесными носителями заряда = (условие квазинейтральности для СФР), генерированными светом. Результирующая удельная проводимость освещенного полупроводника будет равна

.

(4.35)

Приращения концентрации свободных носителей и определяются в каждом случае состоянием равновесия между процессами генерации и рекомбинации носителей: , . Более детальное рассмотрение показывает, что надо рассматривать эффективное время жизни носителей (), зависящее от механизма поглощения излучения (длины волны излучения), темпа генерации носителей, инжекции неосновных носителей заряда из контактов.

Скорость генерации , где – квантовый выход или число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, – поток квантов, – эффективная площадь ФР шириной a длиной l и толщиной d, или – значения коэффициента поглощения на данной длине волны (см. рис. 7.1).

Наиболее простым фотоэлектрическим полупроводниковым прибором, действие которого основано на использовании фотопроводимости, обусловленной собственным поглощением, является собственный фоторезистор (СФР). СФР – прибор для регистрации электромагнитного излучения, принцип действия которого основан на изменении сопротивления за счет возбуждения электронов и дырок при поглощении квантов света с энергией большей или равной ширине запрещенной зоны.

Рис. Зависимости для Ge, Si и GaAs

Кроме собственных, существуют примесные ФР, принцип действия которых заключается в возбуждении носителей с примесных центров и приборы, основанные на изменении подвижности из-за образования " горячих" носителей, возникающих при поглощении излучения свободными носителями.

Простейший фоторезистор представляет собой тонкий слой однородного полупроводникового материала, заключенный между двумя металлическими невыпрямляющими электродами, являющимися выводами прибора. СФР является пассивным элементом, т.е. для его работы необходима батарея питания V_Б. Изменение проводимости СФР фиксируется как изменение напряжения (тока) на нагрузочном сопротивлении (R_н), включенном последовательно с ФП. R_н обычно выбирается равным или большим, чем темновое сопротивление ФР.

Частотные характеристики ФР определяются временем фотоответа, определяемым временем пролета носителей t_r через ФР:

t_r=l/ v _др

где v _др –дрейфовая скорость носителей, о ней говорилось в разделе 2. Отношение дает коэффициент усиления фототока. Для ФР усиление может достигать 10⁶, тогда как у фотодиодов он равен единице, у лавинных фотодиодов – 10²…10⁴, у биполярных и полевых фототранзисторов – 10².

Фотодиоды (ФД) подобны обычным диодам. Их темновая (в отсутствии падающего излучения) ВАХ определяется выражением (4.40).

Спектральная область чувствительности ФД определяется E_g материала.

Падающее излучение возбуждает электронно-дырочные пары, как в квазинейтральных областях, так и в ОПЗ. При этом электроны и дырки, возбужденные в n- и p-областях, двигаются только под действием градиента концентрации, то есть могут направиться как в сторону ОПЗ, так и к поверхности, рекомбинируя на поверхностных состояниях. Фототок вызывают только неосновные носители, подошедшие к ОПЗ. Напомним, что для основных носителей существует барьер, равный контактной разности потенциалов и определяемый.

Общий фототок образуют неосновные носители, генерируемые в квазинейтральных областях и электронно-дырочные пары, генерируемые в самом ОПЗ. ВАХ фотодиода определяется выражением:

На рис. 7.3 представлена ВАХ ФД при облучении и прямоугольник максимальной мощности, выделяемой на нагрузке.

Частотные характеристики фотодиода определяются двумя составляющими: временем диффузии носителей до ОПЗ () и временем пролета через ОПЗ ().

, ,

где x – расстояние от места генерации неосновных носителей до ОПЗ, – коэффициент диффузии неосновных носителей, – ширина ОПЗ, – скорость носителей в ОПЗ. Таким образом, лучшими частотными свойствами обладают фотодиоды при попадании излучения в ОПЗ. Для увеличения вероятности генерации носителей именно в ОПЗ ширину увеличивают, вводя между p- и n- областями высокоомную I – область с проводимостью, близкой к собственной. Такие фотодиоды называют pin- фотодиодами. Эти фотодиоды находят широкое применение в линиях оптической связи, так как их время фотоответа составляет 10^-8…10^-10 с, и оптронах, то есть приборах, совмещающих источник и приемник излучения.

Лавинные фотодиоды (ЛФД) – это прибор, принцип действия которого основан на лавинном умножении фототока. Он работают при высоких обратных смещениях, близких к напряжению лавинного умножения.

ЛФД изготовляют с pin - структурой, на основе гетероструктур (варизонной структурой, т.е. структурой с плавным изменением химического состава полупроводника), а также на основе барьера Шоттки. ЛФД с варизонной структурой обладают лучшей стабильностью коэффициента умножения при флуктуациях приложенного напряжения.

Фотодиоды с барьером Шоттки особенно эффективны в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Для этих спектральных областей коэффициент очень велик (~10⁵ см^-1 и более, см. рис. 7.1) и эффективная глубина поглощения очень мала (1/ 0, 1 мкм и менее). У обычных фотодиодов в этой приповерхностной области высока скорость поверхностной рекомбинации, и фотогенерируемые носители здесь же и рекомбинируют, не внося вклад в фототок. У ФД с барьером Шоттки за счет химической связи металл-полупроводник скорость поверхностной рекомбинации намного ниже, что приводит к чувствительности этих приборов в УФ области. Отличительной особенностью этих приборов является очень широкая спектральная область чувствительности.

Фотодиод, работающий в фотовольтаическом режиме, т.е. ВАХ которого находится в четвертом квадранте (рис. 7.3), находит широкое применение как солнечный элемент. Разрабатываются солнечные элементы на основе гомогенных и гетеро- pn- переходов, на барьерах Шоттки и МДП-структурах.