Фотовольтаические приемники излучения
Одной из проблем, связанных с использованием фотопроводниковых приемников излучения, является их низкий импеданс. По своей природе фотопроводник является фоточувствительным резистором. Поскольку для электрического усиления предпочтителен большой импеданс, комбинация элементов фотодетектирования и усиления образует импедансный мостик, приводящий к ухудшению характеристик фотоприемника. Это не имеет места в случае фотодиода.
Фотоволътаический приемник излучения использует выпрямляющие характеристики р—я-диода или перехода Шотки для обеспечения большого импеданса и для разделения электронно-дырочных пар, генерируемых процессами поглощения. Таким образом, именно внутреннее поле в диоде ответственно за циркуляцию тока. Рисунок 11.9 иллюстрирует функционирование фотодиода.
В качестве примера мы взяли р+—я-диод, в котором основная часть падения встроенного потенциала имеет место в материале я-типа (смотрите раздел 10.4). Излучение входит через верхнюю поверхность и пересекает /?+-область, которая предполагается достаточно тонкой, чтобы пренебречь поглощением в этом слое. Фотоны поглощаются в я-области и порождают электронно-дырочные пары в области пространственного заряда (SCR) и в объеме материала. Пары, фотогенериро - ванные в SCR немедленно разделяются внутренним электрическим полем, которое удаляет дырки по направлению к поверхности, что и образует генерированный фототок — JG. Пары, генерированные вне SCR диффундируют по структуре, при этом некоторая их часть способна достичь SCR и пройти через процесс разделения заряда, что приводит к плотности диффузионного тока Jdifr
Эти две компоненты обусловливают плотность полного фототока УрЬ, который суммируется с темновым током:
|
Рис. 11.9. Иллюстрация функционирования фотодиода: зонная диаграмма (а), геометрия поглощения (б) и типичная конструкция прибора (в). |
|
ЛЛЛАЛЛЛЛ^ ХЛЛЛЛЛЛЛ^ |
|
Область пространственного дифузионная Область область |
Здесь: /а1 есть ток насыщения диода, определяемый (10.24) для случая диода Шот - ки, и ограниченный диффузией дырочный ток р+—я-диода, определяемый (10.52). К есть потенциал, приложенный к диоду. Рисунок 11.10 иллюстрирует характеристики диода в условиях освещения. В рассматриваемом случае возможны два режима детектирования:
• Режим фототока. Диод может быть введен в схему с очень малым импедансом, например, включен последовательно с амперметром или с низкоомным резистором, к которому параллельно подключен вольтметр, как это показано на рис.
9.10а. В этом случае измеряемый ток дается выражением (11.32).
• Режим фотонапряжения. В данном случае диод включается в схему с высоким импедансом (/ = 0). При этом, как показывает (10.32) на выводах диода появляется напряжение Кь. В обращенной форме напряжение выражается в виде:
|
|
|
А |
Б
Рис. 11.10. Два режима функционирования фотовольтаического приемника излучения: режим фототока (а) и режим фотонапряжения (б).
Расчет плотности фототока Jph следует из уравнений, приведенных в разделе
9. 3. Такой расчет представляет собой хорошее упражнение, позволяющее ознакомиться с применением различных граничных условий (11.10). Давайте начнем с расчета тока JG в области пространственного заряда, т. е. между z — 0 и z = W. В SCR плотность избыточного заряда Ап имеет нулевое значение, т. к. все носители мгновенно удаляются из этой области, при этом динамическое уравнение (11.3<яг) принимает вид:
|
|
Плотность тока мы получаем, интегрируя (11.34) в области от 0 до IV с учетом того, что электронный ток не может протекать из р+-области, поскольку концентрация электронов может быть равна только нулю (пр+ = я.2) так, что (0) = 0, при этом:
|
|
Это есть электронный ток, который пересекает границу раздела между SCR и нейтральной областью при z > W.
Вклад диффузионного тока получается из дифференциальных уравнений (1 .Ъа) или (11.7), которые в стационарном состоянии в качестве решения допускают (11.8), что мы можем записать в виде:
В данном случае учитывается, что поток фотонов при z = W составляет только Ф0е-огИ/. Мы можем предположить, что образец имеет достаточно большую толщину так, что В = 0. Более того, любой электрон при z = № немедленно удаляется электрическим полем, накладываемым граничным условием (11.106) Дл(Ж) = 0 так, что:
|
|
Плотность диффузионного тока при № дается соотношением:
(П.38)
Так что:
А Г ~аЦ/
Ашт =-<?т^Ц-Ф»е (11.39)
1 + aL
D
Для достаточно распространенного условия а¥ ~ 1 вклады Гс и Зш (соответственно (11.35) и (11.39)) сравнимы по величине так, что ни одним из этих членов нельзя пренебречь. В этом случае полный фототок дается соотношением:
|
~-aW 1-- е |
|
1 + aLD |
|
^Ph = -<7фо |
 |
|
|
|
Эта формула показывает, что малая квантовая эффективность области пространственного заряда SCR может быть компенсирована в случае большой диффузионной длины, т. е. то, что область пространственного заряда пропускает, может быть компенсировано диффузионной областью. Как и в случае фотопроводника выражение (11.40) может быть представлено в виде:
^ = Г!~г~Т~ (U-41)
Hv/q
Или в другой записи:
(11.42)
1,24
При этом полная квантовая эффективность г) дается выражением:
|
(11.43) |
? = (1-/ф - 6
1 + aLD
Таким образом, эта формула очень похожа на (11.18). Однако, мы замечаем отсутствие усиления фотопроводимости, что эквивалентно утверждению о том, что усиление g в случае фотодиода равно единице.
Пример---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В кремнии я-типа проводимости, легированном до уровня 1016 см'3 при напряжении на переходе Vh{= 1 В, SCR имеет протяженность в 1 мкм. В соответствии с рисунком 11.2 коэффициент поглощения а — 104 см-1 при энергии квантов 2 эВ. В этом случае эффективность SCR 1 — t~aW составляет 64%. С другой стороны, диффузионная длина есть >l((kT/q)junr) или 500 мкм (смотрите таблицу 1.1), что приводит к величине квантовой эффективности, в которой доминируют потери на отражение (1 — Я).
