Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 7

В этом разделе рассмотрены наиболее общие параметры и характеристики, присущие всем типам фотоприемников с р-п переходом, а также дано описание некоторых ФП, таких как «Фотовольт», координатно-чувствительный фотоэлемент, фотоварикап и др., и приведены их специфические параметры.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Обычно для ФП пользуются двумя понятиями чувствительности: интегральной и монохроматической. Интегральная чувствительность— отношение вел^ины фототока ₍ФП (мА) к световому потоку (лм) от источника с цветовой температурой Г_цв=2850 К (источник типа А). Эта чувствительность характеризует качество работы ФП только по отношению к источникам излучения, близким по своему спектральному составу к источнику А (как правило, вольфрамовые лампы накаливания). Пользуясь этим параметром, нельзя оценить, как

16

будет работать ФП с каким-либо другим источником. Для кремниевых приборов интегральная чувствительность лежит в пределах 4—9 мА/лм, для германиевых — 15—25 мА/лм [8]. Монохроматическая чувствительность — отношение величины фототока (мА) к величине световой энергии излучения (мВт), соответствующей определенной длине волны. Монохроматическая чувствительность характеризует эффективность работы ФП с монохроматическим источником излучения

В связи с появлением в последнее время когерентных источников различных типов в области длин волн от 0,4 до 1,153 мкм знание монохроматической чувствительности приборов в этом интервале длин волн представляет особый интерес. Зависимость монохроматической чувствительности от длины волны излучения представляет сабой спектральную характеристику ФП. Знание спектральной характеристики важно не только для оценки работы ФП с когерентными источниками, но также и с некогерентными источниками (светодио-ды, лампы накаливания), спектральный состав излучения которых известен. Выражение для спектральной характеристики реального ФП можно записать в виде

_1ф/Е=:(\^Я)С!р_дМ,

(13)

где /ф — фототок; Е — энергия при длине волны X; R — коэффициент отражения от поверхности ФП; Q — коэффициент собирания; Р — квантовый выход; N— число фотонов, приходящихся на единицу световой энергии. Полагая Р=1, можно получить:

/_ф/£=(1—Д)<ЭЬ/1,24.                                    (14)

Спектральная характеристика идеального ФП представляет собой треугольник (рис. 8, кривая 1), внутрь которого вписываются все экспериментальные кривые. Вид спектральной характеристики реального ФП определяется в основном зависимостью коэффициента собирания ФП от длины волны. Как было показано в предыдущем разделе, коэффициент собирания определяется структурой ФП, а также такими параметрами полупроводникового материала, как диффузионные длины неосновных носителей, коэффициент поглощения света, ширина запрещенной зоны полупроводника. Используя для изготовления ФП полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны, можно изменять    область    длин    волн,    в    которой    работает    ФП

Для широкозонных полупроводников (с большой шириной запрещенной зоны), например GaAs, спектральная характеристика смещается в сторону более коротких длин волн, так как для создания электронно-тырочных пар, а следовательно, фототока необходимы фотоны света с большей энергией (коротковолновое излучение). Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны, напри-

2—2G3                                                                                                               17

18

•о

4[ 0,2

				У
к	£л	1
	ПС	1	7Е	------
			vz
				я

0,2      0,6

W

7,4

7,8 мкм

Рис    8    Спектральная   характеристика   идеального   (/)   и  реального   (2)  германиевого ФП.

мер Ge, спектральная характеристика сдвинута в длинноволновую область и Х_Макс = 1,55 мкм (рис. 8, кривая 2). В указанных полупроводниках электронно-дырочные пары могут возникать под действием фотонов с меньшей энергией   (длинноволновое излучение).

Большое влияние на вид спектральной характеристики и положение максимума оказывает зависимость коэффициента поглощения света от длины волны. Для полупроводников с резкой зависимостью коэффициента поглощения от длины волны, например Ge, максимум спектральной характеристики для различных типов приборов имеет место, как правило, при одной и той же длине волны света независимо от технологии. Для полупроводников с менее резкой зависимостью коэффициента поглощения, например Si, максимум спектральной характеристики в зависимости от конструкции ФП и используемой технологии может изменяться в широком диапазоне от коротких длин волн (примерно 0,6 мкм) вплоть до края собственного поглощения (примерно 1,1 мкм).

Сравнивая возможности таких материалов, как Si и GaAs, можно видеть, что основное влияние на спектральную характеристику оказывают различия в механизме поглощения света. Для GaAs характерен резкий край основной полосы поглощения и слабая зависимость коэффициента поглощения от длины волны в интервале 0,4—0,9 мкм. В связи с этим в ФП из GaAs величина фототока определяется преимущественно базой (глубиной залегания р-п перехода) прибора. Поэтому, изменяя толщину базы w, можно изменять форму спектральной характеристики арсенид галлиевых ФП. Для ФП с базой, меньшей 1 мкм, максимум кривой имеет место при длине волны Х = 0,65 мкм. С увеличением толщины 'базы максимум смещается в' длинноволновую область: при w=\ мкм, Х_Макс = = 0,74 мкм, при w>\ мкм, 1_Макс = 0,85 мкм [23].