В-5.

1. Методы увеличения эффективности вывода света из полупроводника.

Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р — n-переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь: потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом, большим критического; поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического; потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях; потери на поглощение излучения в толще полупроводника.

Наиболее эффективные способы повышения эффективности вывода генерируемого излучения состоят в создании отражающих контактов, формировании оптических неоднородностей в структуре прибора, в частности, рассеивающего свет микрорельфа на поверхности кристалла.

2. Фотогальванический эффект

Фотодиод - полупроводниковый диод с р-п переходом между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом, в котором поглощение излучения, происходящее в непосредственной близости перехода, вызывает фотогальванический эффект, который проявляется в создании ЭДС на его выводах.

фотогальванический эффект, при котором на границе раздела полупроводника и металла или на границе двух полупроводников под влиянием облучения возникает электродвижущая сила. Фотогальванический эффект - это возникновение тока на границе между полупроводником и металлом, когда электроны покидают пределы тела, проходя через поверхность раздела в другое твердое тело ( полупроводник) или жидкость ( электролит) под действием световой энергии бея участия посторонней электродвижущей силы.

3. Нарисовать и пояснить график зависимости Rключа=f(Iвх).

Лаба 6

В-6.

1. Привести схему электрического регулятора и ключа потенциаметрического типа.

Здесь используется диодно-резисторный оптрон. Фоторезистор используется в качестве сопротивления управляемого световым потоком светодиода. Коэффициент передачи определяется по формуле . ПриU_упр = 0 коэффициент передачи близок к нулю. В аналоговых устройствах используют диодные и резисторные, а так же (в некоторых случаях) транзисторные оптопары. В то же время для сохранения формы передаваемого сигнала желательна линейность передаточной характеристики (постоянство к₁ в достаточно широком диапазоне токов). Этому требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны. Входной сигнал, подаваемый на вход оптрона, после преобразования в излучение попадает на базу фоторезистора, осуществляя тем самым управление амплитудой тока на выходе оптопары и напряжением на сопротивлении нагрузки R_н. Коэффициент передачи всего устройства определяется значением к₁ используемого транзисторного оптрона. Если на вход светодиода подать запирающее напряжение U_упр, то коммутация аналогового сигнала происходить не будет (состояние выключено). К светодиоду прикладываются отпирающее напряжение смещения и напряжение коммутирующего сигнала (состояние включено).

2. Фотодиод Шотки.

Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10 – Фотодиод с барьером Шоттки:

а) структура; б) распределение поля в структуре

На подложке сильно легированного кремния n⁺ выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного полупроводника n-типа. Затем на тщательно очищенную поверхность материала n-типа напыляют тонкую (0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх неё – антиотражающее покрытие.

Структура и свойства контакта металл-полупроводник зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле (U_FM) и полупроводнике (U_Fпп). На рисунке 6.11 показаны зонные диаграммы контакта металл-полупроводник для случая U_FM U_Fпп.

Рисунок 6.11 – Зонные диаграммы контакта металл – полупроводник

При образовании контакта электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. При этом вблизи границы металл-полупроводник создается объемный заряд положительных ионов доноров и, следовательно, электрическое поле.

Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом U_пов. Его можно определить разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. При отсутствии внешнего напряжения и оптического излучения переход находится в равновесном состоянии. Это состояние характеризуется равновесным поверхностным потенциалом U_{пов о}. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота U_пово является аналогом внутреннего потенциального барьера в p-n – переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

При приложении прямого напряжения U_пр (положительный по­люс к металлу, отрицательный – к полупроводнику n-типа) потен­циальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается ос­новными носителями - электронами и сопротивление перехода ме­талл-полупроводник будет меньше равновесного. Если изменить по­лярность внешнего напряжения, т.е. приложить к переходу обратное напряжение U_обр (как показано на рисунке 6.10, а), то потенциальный барьер в контакте повышается. В этом случае приконтактный слой еще сильнее обедняется основными носителями – электронами и по­вышается его сопротивление по сравнению с равновесным состояни­ем. Таким образом, контакт металл-полупроводник обладает выпрям­ляющими свойствами и может быть основой приборов, называемых диодами Шоттки.

Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с дио­дами на р-n – переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки используют движение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода.

В фотодиодах с барьером Шоттки имеется возможность поглоще­ния квантов излучения в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны). Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потен­циальный барьер. В результате длинноволновая граница спектраль­ной характеристики фотодиода сдвигается в сторону более длинных волн.

В фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область погло­щения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где сущест­вует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-n – переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен ну­лю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной харак­теристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах.

Перспективность применения фотодиодов Шоттки в оптоэлектронике объясняется их следующими достоинствами:

• малым сопротивлением базы фотодиода. Поэтому постоянная времени барьерной емкости C_бар r_Б у фотодиодов Шоттки примерно равна 10^-12 с, а инерционность определяется только временем про­лета фотоносителей через область объемного заряда (10^-10...10^-11) с;

• сочетание высокого быстродействия и высокой чувствительности (S_ф=0,5 А/Вт);

• простотой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на самых разнообразных металлах и полупроводниках и, следовательно, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки. В частности, кремневые фотодиоды с барьером Шоттки работают при =0,63 мкм, имеют быстродействие 10^-10 с и фоточувствительность S₀=0,5 А/Вт;

• хорошей совместимостью с оптическими интегральными микросхемами.

Для продвижения в длинноволновую область повышают удельное сопротивление базовой области и одновременно увеличивают ее толщину, т.е. переходят к структуре m-i-n⁺, где m- означает «металл».

3. Принцип действия сид на основе гетероструктур.

Наилучшие параметры имеют диоды, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеропроходов) [23]. На рисунке 2.18 изображены энергетические диаграммы излучающей гетероструктуры GaAlAs – GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода образу­ется разрыв (скачок) энергии Е = Е_з1 - Е_з2. Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.

Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры оп­ределяется носителями заряда только одного типа (для гетероструктуры на рисунке 2.18 – электронами). Поэтому при приложении прямого напря­жения имеет место односторонняя инжекция — только электронов из широкого слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содержащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой.

Наряду с одинарной в излучающих диодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительно запирающий широко­зонный р₃-слой того же, что и база, типа проводимости (в соответствии с рисунком 2.18). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциаль­ную «яму», в которой скапливаются инжектированные электроны).

Рисунок 2.18 – Энергетическая диаграмма излучающей одинарной структуры	Рисунок 2.19 – Энергетическая диаграмма двойной гетероструктуры

Из­быточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый вы­ход гетероструктуры, а также ее быстродействие.

В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно повысить быст­родействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при уменьшении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстро­действие растет незначительно. Для лучших образцов на одинарной ге­тероструктуре внешний квантовый выход составляет (34) %, а время переключения (4080) нс; двойные гетероструктуры имеют примерно та­кое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения (2030) нс.

Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со сте­пенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до зна­чительных плотностей тока, и появля­ется возможность изменения степени легирования областей гетерострукту­ры без ухудшения инжекции p-n - перехода.

Другой отличительной особенно­стью гетероструктур является разни­ца в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера (в соответствии с рисунком 2.20). Поэтому излучение выводится из СИД через эмиттер практически без поглощения.

Рисунок 2.20 – Спектральная характеристика базы и эмиттера гетероструктуры

В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения («многопроходный эф­фект»). Излучение, претерпевающее на внешней границе кристалла ге­тероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов, падает на внешнюю гра­ницу под таким углом, который дает возможность ему выйти наружу. Как видим, многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглоще­ние в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие постоянных кристалли­ческих решеток не должно превышать 0,01 %, близкими должны быть и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не выполняются. Высокая концентрация дефектов в области гетероперехода практически сводит к нулю все преимущества гетероперехода.

В-7.

1. Лавинный фотодиод.

Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то начинается лавинообраз­ный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т. е. имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения

K_i = I_ф / I_ф0, (6.31)

где I_ф – ток на выходе фотодиода с учетом размножения;

I_ф0 – ток при отсутствии размножения.

Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления, фототока.

Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе

K_i = 1 / [1 — (U / U_проб)^m], (6.32)

где U_проб – пробивное напряжение;

U – напряжение на р – n переходе;

m – коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m=1,52 для кремния р – типа; m= 3,44 для кремния n – типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

I_ф = I_ф0 / [1 — (U / U_проб)^m]. (6.33)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов характеризуется временем переключения (10^-8...10^-9) с, а произведение коэффициента усиления фототока K_i на полосу частот достигает рекордных значений: K_if_гр  10¹¹ Гц. Предельно реализуемое значение K_i, может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигну­то. K_i 10³...10⁴, а для германия его величина обычно не более 10². У кремниевых и арсенидгаллиевых приборов ниже уро­вень шумов.

Рисунок 6.13 – Лавинный фотодиод:

а) структура; б) распределение поля в структуре.

В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все диодные структуры: р⁺ – n, р – i – n, n – р – i – р⁺ , барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это связано с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока K_i резко зависит от напряжения. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов. Высокие рабочие напряжения, низкий КПД преобразования затрудняют их использование в микросхемах.