Внутренний фотоэлектрический эффект в полупроводниках

Фотопроводимость и фото-ЭДС. Фотоприемни­ки — это полупроводниковые приборы, которые управля­ются оптическим излучением. Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических пара­метров фотоприемника, обусловленное образованием до­полнительных свободных носителей заряда в полупровод­нике. Процесс образования дополнительных носителей за­ряда (фотоносителей) внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фото­эффектом или фотоэлектрическим эффектом.

В фотоприемниках используются две формы внутрен­него фотоэффекта:

1. Фотогальванический эффект.

2. Эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводни­ках с внутренним потенциальным барьером (с р-п пере­ходом, с переходом металл — полупроводник, с гетеропе­реходом): внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносите­ли—-разных знаков — дырки и электроны — создают фото ЭДС.

Эффект фотопроводимости (в отличие от фотогальва- ппческого) состоит только в создании фотоносителей; результатом изменения концентрации носителей в полупроводнике является увеличение проводимости полупровод­ника.

Рис. 2.1, Эффект собствен­ной (переход 1) и примес­ной (переходы 2, 3) фото­проводимости в полупроводниках

Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников: фотогальванический эффект — в фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах и других фоториемниках с р-п переходами, эффект фотопроводимо­сти — в фоторезисторах.

Рис. 2.2. Переходы электрона из ва­лентной зоны в зону проводимости при эффекте собственной фотопро­водимости:

а— прямой переход;б— непрямой пере­ход

Рассмотрим процесс образования фотоносителей в по­лупроводнике, т. е. образование дополнительных дырок н электронов при поглощении полупроводником фотонов- оптического излучения. Энергия фотонов може-т быть пе­редана электронам валентной зоны с переводом этих элек­тронов в зону проводимости, т. е. энергия фотонов идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называется эффектом собственной фотопроводимости. На рис. 2.1 образованию собственных фотоносителей соответ­ствует переход 1 (валентная зона — зона проводимости)..

Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов излучения идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов (переходы 2 и 5 на рис. 2.1). Концен­трация примесных атомов мала, и они в основном ионизованы уже при относительно низких температурах. В ре­зультате собственная фотопроводимость существенно выше примесной и основная доля фотоносителей — это собствен­ные фотоносители.

При собственном поглощении фотонов переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости может про­исходить без изменения импульса электрона, т. е. возмож­ны прямые переходы (рис. 2.2,а, см. также § 1.1). Могут происходить также переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости и с изменением импульса — непря­мые переходы (рис. 2.2,6). При непрямых переходах в процессе поглощения кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья квазичастица, которая обеспечит закон сохранения импульса. Такой третьей квазичастицей обычно является квант тепловой энергии кристаллической решетки полупроводника.

Для того чтобы фотон излучения создавал фотоноси­тели, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений (рис. 2.1):

Е_ф1 = hν₁ ≥ E_c - E_υ (2.1а)

Е_ф2 = hν₂ ≥ E_c - E_i (2.16)

где Еф1, Еф2— энергия фотона; Ec, Eυ,Ei — энергетиче­ские уровни дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и примеси.

Значит, собственный фотоэффект в полупроводнике воз­можен только при воздействии на полупроводник излуче­ния с длиной волны, меньшей некоторого значения:

(2.2)

где E_э — ширина запрещенной зоны, эВ; λгр — длинновол­новая граница спектральной чувствительности материала, МКМ.

У фотоприемников на основе кремния, германия, арсенида галлия, сернистого и селенистого кадмия λ_гр состав­ляет 1,1; 1,8; 0,9; 0,7 и 0,8 мкм соответственно. Итак, при длине волны излучения λ > λ_гр собственный фотоэффект в лупроводнике невозможен; при λ < λ_гр собственный фото­эффект может иметь место.

Параметры фотоэффекта. Эффективность проте­кания фотоэлектрических процессов характеризуется кван­товым выходом ηф, который равен отношению числа гене­рированных пар электрон — дырка к числу поглощенных фотонов излучения. В рабочем спектральном диапазоне фотоприемников квантовый выход обычно равен единице, т. е. поглощению каждого фотона излучения соответствует генерация пары фотоносителей (электрон — дырка).

Поглощение излучения характеризуют в полупровод­никах глубиной поглощения χо или обратной величиной

1/ χ_о — показателем поглощения. Показатель поглощения равен относительному изменению потока излучения в слое полупроводника (рис. 2.3):

1/ χ_о = - 1/Ф(х)× dФ/dх (2.3)

где Ф(х) —поток излучения на расстоянии х от поверхности полупроводника.

Рис. 2.3. Поглощение оптического излучения в полупроводнике

Разделив переменные в выражении (2.3), легко получить закон изменения излучения в полупроводнике при поглощении (закон Бугера):

Ф(х)=Ф_се^х/χ, (2.4)

Рис. 2.4. Спектральные харак­теристики глубины поглощения материалов фотоприемников

где Ф_о— поток излучения на поверхности полупроводника;

χ_о глубина поглощения.

Таким образом, глубину поглащения χ_о можно опреде­лить как толщину слоя полупроводника, после прохожде­ния которого поток излучения уменьшается в е=2,718 ...раз. Зависимость глубины поглощения от энергии фотонов излучения или длины волны излучения называется спектром поглощения полупроводника или спектральной характеристикой поглощения (рис.2.4). Следует подчеркнуть, что глубина поглощения χ₀ большинства материалов, при­меняемых в фотоприемниках, очень резко изменяется вбли­зи длинноволновой границы λ_гр. Исключение составляет кремний, у которого изменение от прозрачного состояния (χ₀ ->∞, излучение проходит без поглощения) до непро­зрачного ( χ₀ ->0, излучение вообще не проходит, полно­стью поглощаясь у поверхности) происходит при измене­нии λ примерно в 2 раза.

2. Параметры и характеристики фотоприёмников

Все типы фотоприемников, независимо от физической природы и конструкции этих приборов, описываются опре­деленной совокупностью основных параметров и характе­ристик.

Чувствительность. Важнейшим параметром фо­топриемника является чувствительность. Этот параметр можно до определенной степени считать аналогичным ко­эффициенту усиления в приборах с электронной проводи­мостью. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного опти­ческого сигнала. Количественно чувствительность опреде­ляется отношением изменения измеряемой электрической величины, вызванного падающим на фотоприемник излу­чением, к количественной характеристике этого излучения.

Оптическое излучение может характеризоваться энер­гетическими и световыми параметрами (см. табл. 1.1). В соответствии с характеризующим параметром различают:

чувствительность фотоприемника к потоку излучения S_Фe;

чувствительность фотоприемника к световому потоку S_Фυe;

чувствительность к облученности SEe;

чувствительность к освещенности S_Eυ...

В зависимости от измеряемого электрического парамет­ра на выходе фотоприемника различают токовую и воль­товую чувствительность фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувстви­тельность (SI). Чувствительность фотоприемиика, у кото­рого измеряемой величиной является напряжение фотосиг­нала, называется вольтовой чувствительностью (Sυ).

Примеры определения чувствительности фотоприемни­ка приведены в выражениях

SIфυ= I_ф/Ф_υ ; SIЕυ = I_ф /E_υ ;

Sυфе = U_ф/Ф_е; SυЕе = U_ф /E_е , (2.5)

где S_Iфυ — токовая чувствительность к световому потоку:

SIЕυ — токовая чувствительность к освещенности;

Sυфе — вольтовая чувствительность к потоку излучения

SυЕе — вольтовая чувствительность к облученности.

Вообще говоря, чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина и зависит, в частности, от зна­чения параметров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия статической и дифференциальной чувстви­тельности фотоприемника. При этом статическая чувстви­тельность определяется отношением постоянных значений измеряемых величин. Выражения (2.5), например, позво­ляют определить значение соответствующей статической чувствительности. Дифференциальная чувствительность равна отношению малых приращений измеряемых величин: например, дифференциальная токовая чувствительность фотоприемника к освещенности

SIЕυ. =ΔI_ф /ΔЕ_υ (2.6)

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохро­матическую чувствительность фотоприемпика к немоно­хроматическому излучению заданного спектрального со­става. Монохроматическая чувствительность — это чувст­вительность фотоприемника к монохроматическому излу­чению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо по­лезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — это шум фотоприемника. Источники шума мо­гут быть по отношению к фотоприемнику как внутренни­ми, так и внешними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В оптималь­но сконструированном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случай­ными (флюктуационными) процессами и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математиче­ским ожиданием (средний уровень шума), среднеквадра- тичным значением или дисперсией. Распределение мощно­сти шума по спектру часто задается спектральной плот­ностью шума — шумом в единичной полосе частот.

В фотоприемниках наряду с обычными для полупро­водников видами шумов (тепловым, дробовым и др.) до­бавляется также радиационный (фотонный) шум, который определяется флюктуациями оптического сигнала, попа- -дающего на фотоприемник, т. е. флюктуациями фотонов, попадающих на фоточувствительный слой.

Обычно шум фотоприемника количественно характери­зуют током шума или напряжением шума. Под током шу­ма /_ш понимают среднеквадратичное значение флюктуации тока, протекающего через фотоприемпик в указанной по­лосе частот. Напряжение шума — это среднеквадратичное значение флюктуации напряжения на заданном сопротив­лении нагрузки в цепи фотоприемника.

Связь чувствительности фотоприемника с его шумами количественно определяют пороговым потоком фотоприем­ника Ф_п, равнььм среднеквадратичному значению дейст­вующего на фотоприемник потока излучения, при котором среднеквадратичное значение фототока равно среднеквад­ратичному значению тока шума. Таким образом, если на фотоприемник действует некоторый поток излучения Ф, то на выходе фотоприемника появляются одновременно сиг­нал шума I_ш и полезный сигнал Iф. Если поток излучения равен пороговому потоку Ф_п, то значения тока шума и фототока сравниваются, т. е. I_ш=I_ф при Ф=Ф_п.

Так как шум зависит от полосы частот, в которой шум измеряется, то и значение Ф_п зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной полосе частот (Ф_п1) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально-модулированного потока с задан­ным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот. Уровень шумов фотоприемника зависит от площа­ди фоточувствительного элемента. Для характеристики этой зависимости введен параметр Ф* _п1 — удельный поро­говый поток фотоприемника:

Ф*п1 = Фп1/S, (2.7)

где Фп1 — порог в единичной полосе частот; S — площадь фоточувствительного элемента фотоприемника. Таким об­разом, удельный пороговый поток — это пороговый поток фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.

Характеристики фотоприемников. Основными ха­рактеристиками фотоприемников являются: вольт-амперная, спектральная и. энергетическая характеристики.

Рис. 2.5. Энергетическая ха­рактеристика фотоприемника

Вольт-амперная характеристика — зависимость напря­жения на выходе фотоприемника от выходного тока (фо­тотока) при заданном потоке излучения. Спектральная ха­рактеристика — зависимость чувствительности фотоприем­ника от длины волны падающего на фотоприемник моно­хроматического излучения. Энергетическая характеристи­ка выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник.

Рис. 2.6. Спектральная харак­теристика фотоприемника'

Энергетическая характеристика описывается обычно степенной функцией вида

I_ф ~ Ф^п. (2.8)

Показатель степени п характеризует линейность энер­гетической характеристики. При n≈1 фотоприемник ли­неен. Область значений Ф (от Ф_тin до Ф_mах), в которой это выполняется (рис. 2.5), определяет динамический диа­пазон ΔФ линейности фотоприемника. Динамический диа­пазон выражается обычно в децибелах

ΔФ = 10 lg(Фmах/Фтin) (2.9)

Типичная спектральная характеристика фотоприемника изображена на рис. 2.6. Длинноволновая граница спектра λ_Гр определяет максимальную длину волны падающего на фотоприемник [см. выражение (2.2)] излучения; корот­коволновая граница λκ обусловлена возрастанием погло­щения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.

Параметры фотоприемника как элемента оптро­на.

В оптронах фотоприемник работает совместно с излучателем, чаще всего с ИК-диодом. Применяемые в оптро­нах излучатели имеют относительно узкий спектр излуче­ния. В связи с этим для фотоприемника в оптроне не важен конкретный вид спектральной характеристики, теря­ют смысл интегральные (по спектру) параметры. Важно, чтобы чувствительность была максимальной на рабочей длине волны применяемого излучателя.

Быстродействие фотоприемника в оптроне характери­зуется временем переключения t_пер. Основные классы при­меняемых в настоящее время фотоприемников имеют t_пер = 10-⁵…10-⁷ с, у быстродействующих современных фо­топриемников

t_пер=10-⁸…;10-¹⁰ с; перспективы оптоэлек­троники требуют от фотоприемников продвижения в об­ласть 10^-10—10-¹² с. Режим высокого быстродействия (ма­лых t_пер) не реализуется для высокоомной нагрузки, так как при этом длительность переключения определяется медленным процессом заряда емкости фотоприемника. С другой стороны, при работе с потоками излучения вбли­зи Ф_п необходимы сопротивления нагрузки порядка 10⁷Ом; тогда длительность заряда емкости фотоприемника С= =5…20 мФ составляет 10^-4—10-⁵ с. В результате получа­ется, что высокое быстродействие при работе фотоприем­ника в «пороговом режиме» (при Ф = Ф_п и малых I_ф) прак­тически недостижимо. В частности, при применении фото­приемников в оптронах пороговые параметры оказывают­ся второстепенными.