Раздел 4. Полупроводниковые фотоприемники

1. Введение

Фотоприемник - это оптоэлектронный прибор служащий для преобразования оптического излучения в электрическую энергию. Несмотря на существование множества различных типов приборов для этих целей (тепловые, фотонные на основе внешнего фотоэффекта, фотонные на основе внутреннего фотоэффекта) наибольшее применение в технике нашли полупроводниковые фотоприемники.

Фотопроводимость и фото-ЭДС.

Под действием оптического излучения полупроводников происходит изменение их электрофизических пара­метров , обусловленное образованием до­полнительных свободных носителей заряда. 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 фотогальва­нического) состоит только в создании фотоносителей; ре­зультатом изменения концентрации носителей в полупро­воднике является увеличение проводимости полупровод­ника.

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

Рассмотрим процесс образования фотоносителей в по­лупроводнике, т. е. образование дополнительных дырок и электронов при поглощении полупроводником фотонов оптического излучения. Энергия фотонов может 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.1 образованию собственных фотоносителей соответ­ствует переход / (валентная зона—-зона проводимости)

1

фотоэффект в полупроводнике невозможен; при λ < λ_гр собственный фото­эффект может иметь место.

Параметры фотоэффекта. Эффективность протекания фотоэлектрических процессов характеризуется кван­товым выходом, 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 или обратной величиной - показателем поглощения. Показатель поглощения равен относительному изменению потока излучения в слое полупроводника (рис. 3).

Рис. 3. Поглощение оптического излучения в 'полупроводнике

Закон изменения излучения в полупроводнике при поглощении (закон Бугера):

Таким образом, глубину по­глощения х 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.4). Следует подчеркнуть, что глубина поглощения большинства материалов, при­меняемых в фотоприемниках, очень резко изменяется вбли­зи длинноволновой границы.

Исключение составляет кремний, у которого изменение от прозрачного состояния до непро­зрачного происходит при измене­нии λ примерно в 2 раза.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 ,эВ

Рис. 4. Спектральные харак­теристики поглощения материалов