Лабораторна робота 4

Вивчення електрофізичних характеристик фотоприймачів

Завдання до роботи: вивчити принципи роботи фотодіодів як приймачів інтелектуальних сенсорів, ознайомитись з їх електрофізичними характеристиками.

Прилади і матеріали: набір фотодіодів, електронно-обчислювальна машина.

Іноді в сенсорах, які фіксують і вимірюють інтенсивність світла, використовують фотовольтаїчний ефект – появу під дією падаючого світла різниці потенціалів між освітленою і темною зонами напівпровідника. Це зв’язано з появою в напівпровіднику при поглинанні фотонів додаткових носіїв електричного заряду (внутрішній фотоефект), які починають мігрувати в темну зону. Виникаючу фото-ЕРС вимірюють електронними схемами з дуже високим внутрішнім опором на розімкнутих виводах напівпровідника. Завдяки дуже малій інерційності, її використовують для контролю потужності і форми надкоротких імпульсів випромінювання лазерів.

Найширше використання ці ефекти знайшли у напівпровідникових діодах. Напівпровідникові діоди формують, як відомо, шляхом локального легування напівпровідника, так щоб утворився т.зв. «p-n -перехід» – перехідний шар між областями напівпровідника p - і n -типу [1]. Електричний струм через таку структуру може вільно протікати тільки в «прямому» напрямі – від «анода» (область p -типу) до «катоду» (область n -типу). Цікавий наступний теоретичний вираз, який описує вольтамперну характеристику (ВАХ) діода, тобто залежність протікаючого через нього струму від прикладеної напруги:

, (4.1)

де і ₀ – т.зв. «темновий» струм, обумовлений тепловою генерацією носіїв заряду; е – електричний заряд електрону; U – прикладена до діода напруга; k – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура діода.

З формули (4.1) видно, що струм через діод при фіксованій напрузі сильно залежить від абсолютної температури. А якщо зафіксувати струм, який пропускається, (наприклад, з допомогою схеми джерела струму), то напруга на прямо зміщеному p-n -переході, майже лінійно зростає з підвищенням температури. Тому напівпровідникові діоди і біполярні транзистори часто використовують як чутливі елементи в сенсорах температури [2]. Такі сенсори випускаються багатьма фірмами і забезпечують точність вимірювання температури до ±0, 1°С.

Однак найвідомішими діодними сенсорами є фотодіоди (ФД). У фотоприймачах (сенсорах світла) вони ведуть себе як кероване світлом джерело струму. Завдяки наявності в товщі p-n -переходу внутрішнього електричного поля додаткові вільні носії заряду, котрі виникають при поглинанні квантів світла, починають переміщатися і створюють додатковий електричний струм, пропорційний до інтенсивності світла. Його називають «фотострумом». Залежність струму через фотодіод від напруги і інтенсивності падаючого світла доволі добре описується формулою

, (4.2)

де і ₀ – «темновий» струм; е – електричний заряд електрону; U – напруга на діоді; k – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура; h – квантовий вихід носіїв заряду при збудженні світлом (усереднена кількість носіїв, котрі виникають при поглинанні одного кванту світла); Ф – квантова інтенсивність світлового потоку (фотонів/с).

Світловою характеристикою називають залежність фотоструму I _ф від світлового потоку Ф, який падає на чутливу поверхню при сталій напрузі (U _ф = const). У випадку ФД світлові характеристики будують в залежності від освітленості їх поверхні Е = Ф / А (А – площа чутливої поверхні), а не від величини світлового потоку, оскільки розміри чутливого шару незначні. За світловою характеристикою визначається основний параметр фотоприймача, в тому числі і ФД, – інтегральна чутливість S = I _ф/(АФ). Для багатьох напівпровідникових фотоприймачів інтегральна чутливість залежить від прикладеної напруги (у тому числі для ФД у фотодіодному режимі), тому, як і у випадку ФР, користуються поняттям питомої чутливості:

. (4.3)

На практиці світловий потік часто задають в люксах. Тоді коефіцієнт при ньому має зміст світлочутливості фотодіоду і задається в мкА/лк. Відповідні вольтамперні характеристики фотодіоду при відсутності світла (Ф = 0) і при його зростаючих інтенсивностях (Ф ₁ < Ф ₂ < Ф ₃) показані зліва на рис.4.1.

Рис. 4.1. Зліва – вольтамперні характеристики фотодіоду при різних рівнях освітленості; справа – еквівалентна електрична схема фотодіоду

Справа на рис.4.1 наведена еквівалентна електрична схема фотодіоду. Поряд з джерелом струму показані власна електроємність діоду С і його внутрішній опір R. Вони в значній мірі і визначають швидкодію фотодіоду. Щоб забезпечити високу швидкодію, потрібно, у першу чергу, зменшувати власну ємність фотодіоду. Цього досягають, використовуючи фотодіоди p-i-n структури, котрі показані на рис.4.2. У такій структурі безпосередньо біля р -області (анода) діоду формується широка дуже збіднена на носії, майже ізолююча, область кремнію (так звана і -область). Цим досягається значне зменшення власної ємності фотодіоду.

Щоб у напівпровіднику при поглинанні фотона утворювалась пара носіїв заряду (електрон + «дірка»), енергія фотона повинна бути більшою за ширину забороненої енергетичної зони. Для кремнію, наприклад, це 1, 12 еВ. Таку енергію мають кванти світла з довжиною хвилі меншою за 1, 1 мкм – це так звана «червона межа» фоточутливості для чистого кремнію. З другого боку, видиме світло з довжиною хвилі, істотно меншою за 1, 1 мкм, уже сильно поглинається кремнієм. Через це, якщо р -область кремнію відносно товста, світло так і не доходить до р-n -переходу. Тому для того, щоб кремнієві фотодіоди мали високу чутливість і у видимій області спектру, р -область кремнію потрібно виготовляти дуже тонкою.

Рис. 4.2. Структура р-і-n -фотодіоду

Фотодіоди, котрі повинні бути чутливі до світла з ближньої інфрачервоної області спектру з довжиною хвилі від 1, 2 до 2 мкм, виготовляють з германію, а чутливі до світла середньої і далекої інфрачервоної (ІЧ) області – з ще більш «вузькозонних» напівпровідників (PbS, PbSe, InSb, CdHgTe, …). Через вузьку заборонену зону темновий струм у таких фотодіодів і дробовий шум при кімнатних температурах надто великі. Тому фотодіоди, котрі повинні працювати в середній і далекій ІЧ області спектру, як правило, приходиться охолоджувати.

Для забезпечення чутливості кремнієвих фотодіодів також у фіолетовій і ультрафіолетовій областях використовують так звані фотодіоди Шотткі (рис.4.3). Замість р-n- переходу в них формують т.зв. «бар’єр Шотткі», виникаючий на межі розділу «метал – напівпровідник». Для цього на фоточутливу область кремнію напиленням у вакуумі наносять дуже тонкий шар золота, достатньо прозорий для видимого і ультрафіолетового світла.

Рис.4.3. Структура фотодіоду Шотткі

Матеріалами для виготовлення фотодіодів часто слугують германій і кремній. Спектральна чутливість германієвих фотодіодів знаходиться в діапазоні 0, 5-1, 7 мкм (з максимумом на довжині хвилі 1, 2 - 1, 65 мкм), а кремнієвих - між 0, 6-1 мкм (максимум на довжині хвилі 0, 8-0, 95 мкм). Фотодіоди мають високу швидкодію – вони звичайно здатні реагувати на сигнали частотою до 10 Мгц. Фотодіоди з p-i-n -переходом (введення i -області підвищує швидкодію) здатні працювати з високочастотними сигналами порядку 1 ГГц.