Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням (стр. 3 из 7)

Типова структура фотодіода і його вольт-амперна характеристика (ВАХ) показані на мал. 1.3.

Мал.1.3 ВАХ фотодіода (a) і його структурна схема (б).

Оцінимо розмір фотоструму для простого випадку, коли випромінювання поглинається в n-області і інтенсивність світла постійна по товщині (

<< 1). Тут – ширина бази. При оберненому зсуві процес переносу генерованих світлом носіїв заряду не відрізняється від переносу зрівноважених носіїв в n-базі. Для визначення фотоструму можна скористатися формулою для оберненого струму p-n-переходу, яка для випадку p_p>>n_n має вигляд:

І_нас = gSL_pp_n /

_p.

Це cтрум незрівноважених носіїв заряду, що генеруються з темпом p_n/

_p в шарі бази шириною, рівною довжині дифузії неосновних носіїв (дірок) L_p. За аналогією фотострум

І_ф = qS(

р /

_p)

,

де

p – концентрація генерованих світлом носіїв. Оскільки

<< L_p, то

підставляючи

p =

_pФ, одержуємо:

І_ф = q

SФ = qc

SФ (1.1)

Тут S – площа світлоприйомної поверхні; c =

– безрозмірний коефіцієнт, що характеризує частку випромінювання, що поглинається в базі. У фотодіодів на основі p-n-переходу є багато переваг, головним із яких є мала інерційність.

ФОТОТРАНЗИСТОРИ

Біполярний фототранзистор являє собою напівпровідникову структуру, у якій є два p-n-переходи (мал. 1.4). Прилад можна уявити таким що складається із фотодіода і транзистора .Фотодіодом є освітлювана частина переходу база - колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо під емітером. Можливі три схеми включення фотодіода як двохполюсника, коли один із виводів залишається вільним: із вільним колектором, із вільним емітером і з вільною базою. Перші дві з цих схем не відрізняються від схеми

вмикання p-n-переходу у фотодіодному режимі.

Мал. 1.4. Включення транзистора з відключеною базою.

Розглянемо роботу транзистора в схемі з загальним емітером (ЗЕ) при відключеній базі за відсутності освітлення (див. мал. 1.4). Оскільки колекторний p-n-перехід включений в оберненому напрямку, уся прикладена напруга падає на ньому і після вмикання струм у ланцюзі дорівнює оберненому струмові окремо взятого колекторного переходу І_КБ0. Цей струм складається з струму дірок із бази в колектор і струму електронів із колектора в базу. Відхід із бази дірок і прихід у неї електронів призводить до утворення негативного заряду в базі. Внаслідок цього потенційний бар'єр емітерного переходу знижується і для компенсації негативного заряду в базу з емітера входять дірки. Позначимо через h_21Б коефіцієнт передачі (підсилення) емітерного струму транзистора: h_21Б = (І_к / І_е)_U

=const. Для аналізованого випадку (ЗЕ) h_21Б-а частина інжектованих дірок проходить через базу в колектор і в компенсації негативного заряду в базі бере участь тільки (1- h_21Б)-а частина діркового струму емітера І_е. З умови електронейтральності струм, що утворює заряд, повинен бути рівний струмові, що його компенсує, тобто І_е (1-h_21Б) = І_КБ0. Струм у всіх ділянках послідовного ланцюгу однаковий, тому

І = І_е = І_к і I = І_КБ0/(1- h_21Б).

При освітленні бази фотострум збільшує обернений струм колекторного переходу, включеного в оберненому напрямку, тому що фотострум підсумовується з колекторним струмом.

На даний час відомі складні інтегральні мікросхеми з фототранзисторами. Прикладом є складовий транзистор-тверда схема з трьома транзисторами, сполученими за схемою Дарлінгтона, яку можна розглядати як емітерний повторювач. Коефіцієнти підсилення таких приладів можуть досягати h³₂₁ , що при достатньо великих струмах складає 10⁵ … 10⁶. У складових фототранзисторах досягаються малі значення границі чутливості. Вони відрізняються високим вхідним опором. Висока фоточутливість, широкий температурний діапазон роботи, простота технології виготовлення і висока надійність фототранзистора обумовлюють його застосування в різноманітних оптоелектронних пристроях. Наприклад, на основі фототранзистора розроблені

оптоелектроні перемикачі, що комутують струми до декількох десятків міліампер із швидкодією приблизно 10^-6 с, комутатори аналогових сигналів, що переключають напруги до 1 мВ, смугою пропускання до десятків мегагерц, фотоприйомні матриці з накопиченням і інші пристрої.

Створення кремнієвих фотоприймачів припускає можливість використання технологічних прийомів виготовлення інтегральних схем. Це забезпечує високу ефективність їх застосування в системах мікрофотоелектроніки. Структури деяких кремнієвих фотоприймачів із внутрішнім підсиленням приведені на мал. 1.5.

Мал. 1.5. Планарні структури фотоприймачів з внутрішнім підсиленням:

а - фототранзистор;

б - складовий фототранзистор;

в - фототиристор.

Еквівалентна електрична схема таких приладів може бути зведена до комбінації фотодіода й одного або декількох транзисторів. Якщо коефіцієнт підсилення транзисторної частини еквівалентної схеми складає h_21ЕКВ, то струмова чутливість фотоприймача з підсиленням у h_21ЕКВ раз вище, ніж чутливість еквівалентного діода.

РОЗДІЛ 2. ФОТОДІОДИ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

ІНЖЕКЦІЙНІ ФОТОДІОДИ

Інжекційні фотодіоди (ІФД) – новий клас фотоприймачів. В них реалізується внутрішнє інжекційне підсилення. Основні принципи роботи ІФД були сформульовані наприкінці 50-х років , проте повною мірою можливості практичного використання їх вивчені лише останнім часом.

ІФД являє собою p-i-n-структуру (мал.2.1), на яку подається напруга в пропускному напрямку. Довжина високоомної базової i-області, що являє собою компенсований глибокими домішками напівпровідник, в декілька раз (3-10 і більше) перевищує довжину дифузійного зсуву неосновних носіїв заряду L_n,р. Такі структури називають також довгими діодами. При підключенні джерела живлення вони працюють у режимі біполярної інжекції.

Мал.2.1 Структура діода з довгою базою.

Фотоелектричне інжекційне підсилення полягає в тому, що засвітка з області власного або примісного поглинання, модулюючи опір базової області, викликає додаткову зміну інжекції носіїв через p-n-перехід. Освітлення призводить до зміни опору бази як за рахунок безпосереднього збільшення концентрації носіїв (як у фоторезисторі), так і за рахунок зміни параметрів, що визначають розподіл незрівноважених носіїв у базовій області (час життя, біполярна рухливість і ін.). На відміну від звичайних фотоприймачів (оберненозміщені фотодіоди, фототранзистори), у яких використовується фотодіодний ефект-розподіл незрівноважених носіїв потенційним бар'єром, у ІФД сполучаються фоторезистивний ефект з інжекцією через прямозміщений перехід. Оскільки інжектуючий p-n-перехід включений послідовно з опором базової області, то зміна останнього призводить до зміни інжекційного струму і подальшої модуляції опору бази. У такий спосіб забезпечується підсилення початкового (первинного) фотоструму, тобто самопомноження струму. Внесок інжектованих носіїв у збільшення інтегральної провідності напівпровідника набагато перевищує внесок носіїв, збуджених світлом. У якості критерію ефективності ІФД проводять порівняння його чутливості з фоточутливістю аналогічного (еквівалентного) фоторезистора, виготовленого з того ж матеріалу, що і база діода, і що має ті ж геометричні розміри.

Коефіцієнт інжекційного підсилення (відношення фоточутливостей ІФД і фоторезистора) можна уявити у вигляді добутку K_іп = K_jK_g. Тут K_j відбиває внесок у повне інжекційне підсилення компоненти, обумовленої внутрішнім позитивним зворотним зв'язком; K_j характеризує розходження в крутизні ВАХ інжекційного діода й аналогічного фоторезистоpa. Якщо ділянка ВАХ S-діода поблизу точки зриву, де крутизна велика, достатньо стійкий, то і підсилення K_j може бути великим. Воно реалізується як при власній, так і при примісній засвітці.