Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом

РАДИО'

Л.К. БУЗАНОВА, А.Я.ГЛИБЕРМАН

Полупроводников фотоприемники

МАССОВАЯ РАДИОБИБЛИОТЕКА

Выпуск 902

Л. К. БУЗАНОВА, А. Я. ГЛИБЕРМАН

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ

ш

«ЭНЕРГИЯ»МОСКВА 1976

6Ф0.34 Б 90

УДК 621.382.2

РЕДАКЦИОННАЯ   КОЛЛЕГИЯ:

Берг А. И., Белкин Б. Г., Борисов В. Г., [Бурлянд В. А., Ванеев В. И., Геништа Е. Н_м Гороховский А. В., Демьянов И. А., Ельяшкевич С. А., Жеребцов И. П., Корольков В Г. Смирнов А. Д., Тарасов Ф. И, Чистяков Н. И., Шам-шур В. И.

Бузанова Л. К. и Глиберман А. Я.

Б 90     Полупроводниковые фотоприемники. М., «Энергия», 1976.

64 с.  с ил.   (Массовая  радиоСиблиотека.  Вып. 902).

В книге описаны физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, даны их основные характеристики и параметры. Рассмотрены отдельные разновидности фотоприемников — фотодиоды, фотоварикапы, а также специальные фотопреобразователи, используемые  в  качестве  источников  питания.

Приведены примеры использования фотоприемников в различных электронных  >стройствах.

Книга  рассчитана на подготовленных радиолюбителей.

^   30404-006

^Б   051(01)-76      ³⁵⁸"^{75                                                       6Ф0}-³⁴

©        Издательство «Энергия»,  1976 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы в радиоэлектронике, автоматике и телемеханике, вычислительной технике и других областях народного хозяйства все более широкое применение находят полупроводниковые фотоприемники излучения на основе р-п перехода. Одним из направлений в области фотоэлектричества является разработка, исследование и применение полупроводниковых фотоприемников с одним р-п переходом, описанию которых посвящена данная книга.

Интерес к фотоприемникам особенно усилился в связи с появлением различного типа источников когерентного и некогерентного излучения. Создание инжекционных полупроводниковых светодио-дов и новых типов полупроводниковых фотоприемников на основе одного или нескольких р-п переходов в миниатюрном и микроминиатюрном исполнениях способствовало бурному развитию такой новой области электронной техники, как оптоэлектроника, в которой сочетаются два способа передачи и обработки информации — оптический и электрический.

В настоящее время существует значительный объем научно-технической литературы, посвященной физике работы фотоприемников с одним р-п переходОхМ и описанию их характеристик [1—9], а также методам проектирования схем с использованием фотоприемников [10—18J. Большой вклад в разработку перечисленных проблем внесен советскими учеными.

Вместе с тем в научно-популярной литературе перечисленные вопросы не нашли должного отражения.

В данной книге в достаточно популярной форме изложены вопросы физики работы и применения фотоприемников с одним р-п переходом. Использованы имеющиеся достижения в этой области в СССР и за рубежом. Приведены основные характеристики и параметры фотоприемников, рассмотрены специфические особенности их работы в ряде конкретных устройств. Описаны также некоторые типы фотоприемников — малоинерционные, лавинные, фотоварикапы, фотовольты и т. д., при этом основное внимание уделено кремниевым приборам. Приведены примеры электронных устройств различного назначения с фотоприемниками.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  РАБОТЫ  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ   В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Прежде чем рассматривать процесс преобразования световой энергии в электрическую с помощью структуры с р-п переходом. целесообразно остановиться на основных моментах взаимодействия излучения с полупроводником. Излучение, падающее на полупроводник, можно разделить на три части. Одна часть излучения отражается от поверхности полупроводника, другая поглощается в объеме, а третья — проходит через полупроводник.

В полупроводниковых фотоэлектрических приборах, преобразующих энергию излучения в электрическую, желательно, чтобы в объеме полупроводника поглощалась большая часть падающего излучения, так как излучение, отраженное от поверхности и проникающее сквозь полупроводник, расходуется бесполезно. Одним из видов взаимодействия излучения с полупроводником, лежащим в основе принципа действия большинства фотоэлектрических приборов, является генерация 'носителей тока под действием фотонов. При этом образуется пара электрон — дырка, если фотон взаимодействует с атомом кристаллической решетки полупроводника (собственное поглощение), или только электрон или дырка, если фотон взаимодействует с атомами донорных или акцепторных примесей (примесное поглощение).

Эти процессы поглощения называются внутренним фотоэффектом. Поток фотонов, проникающих в полупроводник, уменьшается по мере проникновения в объем полупроводника по закону

F(x)=F₀exp(—ах),(1)

где Fo — поток фотонов, проникающих через поверхность полупроводника (фотон/см² • с); F(х) — поток фотонов на глубине х от поверхности; а — коэффициент поглощения.

Величина, обратная коэффициенту поглощения 1/а, определяет глубину, на которой поток фотонов, проникающих через поверхность, уменьшается в е раз и обычно считается глубиной проникновения в полупроводник излучения с коэффициентом поглощения а. Коэффициент а зависит от механизма поглощения, ширины запрещенной зоны полупроводника Д£, длины волны падающего излучения и является мерой скорости уменьшения плотности фотонов в процессе проникновения в полупроводник.'

Для фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, коэффициент поглощения в собственном полупроводнике равен нулю. Для фотонов с энергией, превышающей ДЯ, коэффициент поглощения резко возрастает. В области коротких длин волн коэф-

4

фициент поглощения достигает достаточно большой величины, т. е. излучение в этой области спектра проникает на очень малую глубину. В длинноволновой области спектра коэффициент поглощения уменьшается на несколько порядков, а глубина проникновения увеличивается в несколько раз В табл. 1 приведена глубина проникновения излучения 1/а в кремнии для различных X в области собственного поглощения.

Таблица   1

\, мкм	0,45	0,5 0,89	0,56 1,61	0,6 2,12	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95	1,0
1/а, мкм	0,40				3,03	4,33	6,14	8,9	14	24	63	208

Если на структуру с р-п переходом действует излучение в области длин волн, соответствующих собственному поглощению в полупроводнике, то под действием излучения в объеме полупроводника (•в р- и /г-области) генерируются электронно-дырочные пары. Если в р- и я-областях нет электрического поля, то генерируемые светом носители будут рассасываться в результате диффузии. В процессе своего движения электроны и дырки исчезают, соединяясь друг с другом, т. е. рекомбинируют, причем на расстоянии L, равном диффузионной длине неосновных носителей, их концентрация уменьшается в е раз. При этом L = J^Dx, где D — постоянная диффузии, т — время жизни или время существования носителей до момента их рекомбинации.