Оптические свойства полупроводников Лекция по метрологии Колкер Д

Оптические свойства полупроводников Лекция по метрологии Колкер Д. Б.

Эффективность люминесценции

Способы возбуждения люминесценции

Способы возбуждения люминесценции

Способы возбуждения люминесценции

Фотоприемники – полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Статистические параметры фотоприемников: • Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью Si. Токовая чувствительность – величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения: Si = d. I/d. P (А/Вт)

• Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника - напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность – как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

К фотоприемникам относятся: • • • Фотодиоды Фоторезисторы Фототранзисторы P-I-N Фотодиоды и др. типы

Процессы лежащие в основе действия фотоприемников: • Генерация носителей под действием внешнего излучения. • Перенос носителей и умножение за счет того или иного механизма, характерного для данного прибора. • Взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала.

Фотодетекторы должны обладать • высокой чувствительностью и быстродействием • низким уровнем шумов • иметь малые размеры • низкие управляющие напряжения и токи.

Фотодиоды Принцип действия: под действием оптического излучения образуется электронно-дырочная пара и в области пространственного заряда p-n перехода резко возрастает обратный ток фотодиода. Схема фотодиода:

Структурная схема фотодиода. • • • 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка

Рассмотрим фотодиод на основе р-п перехода

ВАХ фотодиода • Iтемн=Io (eßVg - 1) • Io = q. Lp. Pno /tp + q Ln N po/tn

• При освещении фотодиода происходит генерация электронно-дырочных пар. Во всем проводнике изменяется концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не меняется. IФ = q. Lp ∆P /tp + q. Ln∆N/tn = I∆PE +I∆NE

Полный ток в фотодиоде • I = IФ + Iтемн • Фототок от напряжения не зависит. • Область поглощения светового потока должна принадлежать промежутку (Lp, n; Lp, n) • ВАХ сдвигаются эквидистантно.

Расчет полного тока In - обусловлена равновесными и избыточными электронами в робласти Iг - обусловлена термо- и фотогенерацией электронно-дырочных пар в области пространственного заряда p-n перехода Iр - обусловлена дырками в n-области Iт - плотность темнового тока Iф - добавка за счет действия оптического излучения Вклад в In и Ip дают те носители, которые не рекомбинируют с основными носителями и достигают за счет диффузии p-n перехода.

Фоторезистор • Фоторезистор - это пластина полупроводника, на противоположных концах которого расположены омические контакты. • Схема фоторезистора:

Поток внутри полупроводника: Фо - падающий поток R - коэффициент отражения a - коэффициент поглощения Sф - площадь

Работа фоторезистора характеризуется: 1. Квантовой эффективностью (усиление) Поскольку концентрация изменяется по закону: где T -время релаксации, то коэффициент усиления по току выражается:

2. Время фотоответа: зависит от времени пролета. Обычно у фоторезистора время ответа больше, чем у фотодиода, поскольку между контактами большое расстояние и слабое электрическое поле. 3. Обнаружительная способность.

P-I-N Фотодиод • P-I-N Фотодиод построен на обычном p-i-n диоде. Эти приборы являются наиболее распространенными, так как толщину обедненной области можно сделать такой, что обеспечивается оптимальная квантовая эффективность и быстродействие.

Фототранзистор дейсвует также как и остальные фотодетекторы, однако транзисторный эффект обеспечивает усиление фототока. По сравнению с фотодиодом фототранзистор более сложен в изготовлении и уступает ему в быстродействии (из-за большей площади).

Устройство и эквивалентная схема: Переход база - коллектор играет роль чувствительного элемента. На рисунке он показан в виде диода с параллельно включенной емкостью, имеет большую площадь

• Фототранзистор особенно эффективен, так как обеспечивает высокий коэффициент преобразования по току(50% и более). В режиме работы с плавающей базой фотоносители дают вклад в ток коллектора в виде фототока Iph. Кроме того, дырки фотогенерируемые в базе, приходящие в базу из коллектора, уменьшают разность потенциалов между собой и эмиттером, что приводит к инжекции электронов через базу в коллектор. • Общий ток:

Фототранзистор

Другие виды фотоприемников

На барьере Шоттки В области пространственного заряда диода с барьером Шоттки на основе полупроводника n-типа при обратном смещении генерируемые электронно - дырочные пары разделяются электрическим полем, и дырки выбрасываются в металлический контакт, а электроны - в базу. Так как ОПЗ имеет малую ширину и примыкает к светоприемной поверхности, то такие фотодиоды обладают высокой квантовой эффективностью и высоким коэффициентом поглощения в области малых длин волн. Оптическое излучение полностью поглощается в ОПЗ фотодиода.

Диод Шоттки (диод с барьером Шоттки) — полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл - полупроводник; назван в честь немецкого учёного Вальтера Шоттки, создавшего в 1938— 1939 г. г. основу теории таких диодов.

Принцип работы Барьер Шоттки Рассмотрим контакт металл - полупроводник. Если приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шоттки. Рассмотрим условие возникновения барьера Шоттки. Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности любого твердого тела определяется уравнением Ричардсона:

Для контакта металл - полупроводник n-типа выберем условие, чтобы термодинамическая работа выхода из полупроводника Фп/п была меньше, чем термодинамическая работа выхода из металла ФМе. В этом случае согласно уравнению Ричардсона ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника jп/п будет больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла: Ме > п/п ; j. Ме < jп/п При контакте таких материалов в начальный момент времени ток из полупроводника в металл будет превышать обратный ток из металла в полупроводник и в приповерхностных областях полупроводника и металла будут накапливаться объемные заряды - отрицательные в металле и положительные в полупроводнике. В области контакта возникнет электрическое поле, в результате чего произойдет изгиб энергетических зон. Вследствие эффекта поля термодинамическая работа выхода на поверхности полупроводника возрастет. Этот процесс будет проходить до тех пор, пока в области контакта не выравняются токи термоэлектронной эмиссии и соответственно значения термодинамических работ выхода на поверхности.

Зонная диаграмма ДБШ Зонная диаграмма барьера Шоттки при различных напряжениях на затворе: а) VG = 0; б) VG > 0, прямое смещение; в) VG < 0, обратное смещение

2. 3 Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально сильно растёт с ростом приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Зависимость тока от напряжения обусловлена изменением числа носителей, принимающих участие в процессах зарядопереноса. Роль внешнего напряжения заключается в изменении числа электронов, переходящих из одной части барьерной структуры в другую. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки

Диод Шоттки • Структура детекторного Шотки диода : • 1 — полупроводниковая подложка; • 2 — эпитаксиальная плёнка; • 3 — контакт металл — полупроводник; • 4 — металлическая плёнка; • 5 — внешний контакт

На гетеропереходах Полупроводник с более широкой запрещенной зоной используется как окно, которое пропускает оптическое излучение с энергией, меньшей чем ширина запрещенной зоны без заметного поглощения. И тогда эффективность фотодиода будет зависеть только от того, на каком расстоянии расположен p-n переход от светоприемной поверхности. Важно использовать гетеропереход с малой величиной обратного темнового тока, которую можно обеспечить, сводя к минимуму плотность граничных состояний, ответственных за появление, например, части тока, обусловленной фотогенерацией электронно-дырочных пар в ОПЗ p-n перехода. Это обеспечивается за счет согласования постоянных решеток обоих полупроводников

Лавинные фотодиоды На них подается обратное напряжение, достаточное для развития ударной ионизации в ОПЗ, то есть, сила фототока, квантовый выход и чувствительность возрастают в М раз (М - коффициент лавинного умножения). Преимущество заключается в том, что они имеют меньшее значение мощности, эквивалентной шуму.

Лавинные фотодиоды • При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации ( лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. • энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.

Структура ЛФД Структура лавинного фотодиода на основе кремния: 1 — омические контакты, 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды • коэффициент лавинного умножения (M), L — длина обрасти пространственного заряда, α — коэффициент умножения для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. требование : стабилизация питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой

ЛФД • Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M)от обратногонапряжения (U) на ЛФД. где Ub — напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p — n-перехода

Зависимость тока (I) и коэффициента умножения (M)от обратного напряжения (U) на ЛФД.

Шумы ЛФД -последовательные и параллельные. -Последовательные : следствие дробовых флуктуаций и в основном пропорциональны ёмкости ЛФД - параллельные связаны с механическими колебаниями прибора и поверхностными токами утечки. -Другим источником шума является фактор избыточного шума (excess noise factor), bv. F. В нем описываются статистические шумы, которые присущи стохастическому процессу лавинного умножения M в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом: - соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов.

Зонная диаграмма лавинного фотодиода на гетероструктуре In. PIn. Ga. As. Фототок образован дырками.