Оптоэлектроника

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:

Фотовольтаические приемники излучения

Рис. 11.9. Иллюстрация функционирования фотодиода: зонная диаграмма (а), геомет­рия поглощения (б) и типичная конструкция прибора (в).

Фотовольтаические приемники излучения

ЛЛЛАЛЛЛЛ^

ХЛЛЛЛЛЛЛ^

подпись: лллалллл^
хллллллл^
Фотовольтаические приемники излучения

Область пространственного дифузионная

Область область

подпись: 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:

Фотовольтаические приемники излучения

Фотовольтаические приемники излученияУ////7Ш

А

подпись: аБ

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:

Фотовольтаические приемники излучения

(11.34)

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:

Фотовольтаические приемники излучения

(11.35)

Это есть электронный ток, который пересекает границу раздела между SCR и ней­тральной областью при z > W.

Фотовольтаические приемники излученияВклад 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:

(11.36)

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:

Фотовольтаические приемники излучения

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

Фотовольтаические приемники излучения

(11.40)

 

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)

подпись: (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).

Оптоэлектроника

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Конкуренция мод: перекрестные модуляторы

В дополнении 11.Д мы видели, что вблизи порога полупроводниковый лазер может генерировать в многомодовом режиме несмотря на то. что усиливающая среда яв­ляется однородной. При достаточно сильном возбуждении настолько выше порога, …

Униполярные квантово-каскадные лазеры

Одной из характерных особенностей полупроводниковых лазерных диодов являет­ся то, что в прямо смещенном диоде принимают участие два типа носителей (элек­троны и дырки). Это делает традиционные лазерные диоды биполярными приборами. Существует …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.