35

Фотоприемные полупроводниковые устройства интегральной оптоэлектроники

Полупроводниковый фотодетектор – это твердотельное устройство, преобразующее энергию светового потока в электрическую энергию, которую удобно и легко регистрировать в виде электрических сигналов в процессе передачи информации по оптическим каналам связи. Помимо этого основного применения, приемники светового излучения могут служить генераторами электрической энергии, как это имеет место в случае солнечной энергетики, - стремительно развивающейся индустрии возобновляемых и неиссякаемых энергетических источников для непосредственных хозяйских нужд. Они же служат датчиками светового излучения, в том числе позволяющими получать качественное оптическое изображение предметов в процессе преобразования светового поля изображения в электрический сигнал и обратно, которое может храниться неограниченно долго и использоваться в дальнейшем по мере надобности.

Рис.1. Коммерческие InGaAs фотодетекторы (фотодиоды), включающие те, которые имеют сопряжение с оптоволокном.

Если полупроводник облучать световым потоком с длиной волны, удовлетворяющей условию

, [мкм], (1)

где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме, E_g – энергетический параметр, определяющий электронные свойства полупроводника, в том числе и поглощение света в этом материале. При выполнении условия (1) кванты светового поля поглощаются в объеме полпроводника за счет генерации электронно-дырочных пар, вызывая появление избыточной концентрации носителей заряда, что, в свою очередь, вызывает изменение электропроводности полупроводника (внутренний фотоэффект). Это изменение можно относительно просто регистрировать внешними электронными устройствами.

Полупроводниковые фотодетекторы изготавливаются из различных полупроводниковых материалов: Si, Ge, SiGe, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP, PbS, PbSe, HgCdTe, InAs – это далеко не полный перечень материалов и полупроводниковых соединений, которые в настоящее время используются в качестве фотодетекторов. Каждый материал имеет свою энергию запрещенной зоны и, соответственно, каждый материал обладает фотопроводимостью в своей области светового спектрального диапазона.

Свет, как форма электромагнитного излучения, может содержать различные длины световых волн (λ), приходящиеся на разный диапазон. Условно они разделяется на ультрафиолетовый (λ=0-400 нм), видимый (λ=400-800 нм), ближний инфракрасный (λ=800-3000 нм), средний инфракрасный (λ=3000-6000 нм), дальний инфракрасный (λ=6000-40000 нм) и сверхдальний инфракрасный (λ=40000-100000 нм) диапазон световых длин волн. Некоторые полупроводниковые материалы с различными значениями E_g приведены в таб.1.

Каждый полупроводник, используемый в качестве фотодетектора, может регистрировать и преобразовывать световой поток в электрический сигнал только в ограниченном интервале световых частот или длин волн, что непосредственно связано с электронной структурой конкретного материала. Верхняя граница длин волн, способных вызвать изменение в электронной подсистеме полупроводника определяется его энергетической запрещенной зоной в электронном спектре материала, где отсутствуют электронные энергетические состояния, что предопределяет существование максимальной длины волны света λ_с, выше которой невозможна генерация электронно-дырочных пар.

Таблица 1

Чем меньше ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, тем в более дальней инфракрасной области светового диапазона он может быть использован в качестве детектора светового излучения. В настоящее время имеется несколько конструкций полупроводниковых детекторов для регистрации световых потоков. К ним относятся: 1) фотосопротивления; 2) p-n полупроводниковые диоды; 3) p-i-n диоды (включая лавинно-пролетные диоды); 4) конструкции металл-полупроводник (диоды Шоттки); 5) приборы на основе металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). В зависимости от решаемых задач применяются те или конструкции фотодетекторов. Они находят различное применение в оптоволоконных линиях связи (800 – 1600 нм), световой спектроскопии (400 – 6000 нм), спутникового сканирования земной поверхности (200 – 1200 нм), инфракрасных системах наблюдения и других устройствах. Все рассматриваемые типы фотодетекторов должны обладать высокой чувствительностью, обладать низкими уровнями собственных шумов и иметь высокую эксплуатационную надежность. В случае применения фотодетекторов в линиях коммуникационных систем их амплитудно-частотная характеристика должна соответствовать заданной скорости передачи сообщений (Бит/c) в сочетании с малой стоимостью таких устройств и возможностями легкого встраивания в общую схему для передачи сообщений.

Основные характеристики

Современные твердотельные фотодетекторы основаны на уникальном физическом эффекте - внутреннем фотоэффекте. Под этим понимают изменение электропроводности полупроводников, происходящее при поглощении света с образованием свободных носителей заряда. Свободные носители заряда представляют собой заряженные квазичастицы, описывающие нелокализованные (т.е. распространяющиеся по всему объему полупроводника) энергетические состояния электронов в решетке полупроводника, - электроны проводимости или дырки. Избыточная концентрация носителей заряда приводит к изменению электропроводности материала, что, в конечном счете, и регистрируется как выходной электрический сигнал детектора.

Спектральный отклик фотодетектора определяется как отношение плотности фототока, генерируемого световым детектором к интенсивности светового потока падающего на его поверхность:

, [A/Вт] (2)

где J_ph(λ) – плотность фототока, φ(λ) – интенсивность светового потока [Вт/см²].

Если величину J_ph(λ)/Ф(λ) разделить на заряд электрона, а световой поток на энергию кванта света, то мы имеем следующую безразмерную величину:

, (3)

которая называется внешним квантовым выходом (или внешней квантовой эффективностью) фотоэлектрического преобразователя.

Выражение (3), в свою очередь, можно переписать в виде:

. (4)

Внешний квантовый выход – величина безразмерная и может применяться к любому типу фотодетектора. Из последнего выражения и выражения для SR(λ) (3) легко получить:

[A/Вт], (5)

если λ выражается в микронах.

Рис.2. Спектральный отклик идеального и реального Si фотодиодов. Спектральный отклик равен нулю при λ=λ_с, когда энергия квантов света становится меньшей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника.

Допустим, что η(λ)=1 (идеальный фотоприемник), тогда SR(λ)=(q/hc)λ. Величина q/hc – универсальная постоянная (q/hc=0.806·10⁴ [1/cм]=1/1.24 [1/мкм]) и внешний спектральный отклик идеального фотодетектора имеет вид:

, [А/Вт]. (6)

В любой практической ситуации только часть светового потока, падающего на поверхность фотодетектора, проникает в его объем. Определенная часть света неизбежно отражается от его поверхности и не вызывает изменение электрической проводимости образца. Поэтому, если выражение для спектрального отклика (2) или (5) или (6) разделить на (1-R_s(λ)), где R_s(λ) – коэффициент отражения света от поверхности фотодетектора при заданной длине световой волны, то мы получим внутренний спектральный отклик фотодетектора:

. (7)

Выражение (7) всегда больше внешнего спектрального отклика и показывает влияние коэффициента отражения на характеристики фотоприемника. Аналогично,

. (8)

В более практической ситуации обычно имеется световые источники, излучающие свет в определенном интервале длин световых волн с различными спектральными интенсивностями. Это может быть очень узкий спектральный диапазон, как это имеет место в современных полупроводниковых лазерах, но может быть представлен и очень широким диапазоном световых частот, например, когда световое излучение Солнца используется для получения электрической энергии (диапазон световых длин волн находится в интервале λ=0.3-3 мкм с плотностью распределения световой интенсивности, приближенно представленной излучением черного тела с температурой ≈6000 ⁰С).

В этом случае выражение для световой интенсивности заменяется плотностью распределения интенсивности света, приходящейся на единицу длин световых волн [P_λ(Вт/см² мкм)], а выражение для плотности генерируемого тока принимает вид:

, (9)

где λ_min – минимальная длина волны, воспринимаемая фотоприемником, λ_max – максимальная длина волны, воспринимаемая фотоприемником.

Понятно, что для обеспечения максимальной плотности фототока необходимо увеличивать η_int до 1 и уменьшать R_s до 0.

При практических применениях фотоприемника важную роль играют шумовые характеристики, ограничивающие предельные характеристики фотоэлектрической системы. Если выходной сигнал фотоприемника мал, то система ограничивается шумовыми характеристиками других компонентов (усилителей сигнала, величиной нагрузочного сопротивления). Когда сигнал велик, ограничивающим фактором может быть его собственное отношение сигнала к шуму (обнаружительная способность).

Чувствительность фотодетектора R определяется отношением среднеквадратичного напряжения выходного сигнала V_s к среднеквадратичному значению мощности излучения P, ответственной за появление этого сигнала:

. (10)

Эквивалентная мощность шумов характеризует предельную величину отношения сигнал-шум. Эквивалентная мощность шумов P_экв есть среднеквадратичное значение мощности излучения P, падающего на фотоприемник, которое дает среднеквадратичное значение сигнала V_s равное среднеквадратичному значению шумов приемника V_n:

. (11)

где P – среднеквадратичное значение мощности падающего излучения, а полоса частот измерительной системы Δf включается потому, что имеет значение только часть шумов приемника, приходящаяся на фотодетектор.

Обнаружительная способность – величина обратная P_экв, полученная умножением 1/P_экв на A^1/2, где А – площадь приемника:

. (12)

Джонсоновский шум, называемый также тепловым шумом, обусловлен хаотическим движением носителей заряда, и для приемника с внутренним сопротивлением R_D при температуре T К среднеквадратичное напряжение шума будет

. (13)

Этот шум не зависит от частоты вплоть до частот порядка обратного времени электрической релаксации (10¹² – 10¹⁴ Гц) и имеет место даже в отсутствие тока через приемник.

Фликер-шум отличается специфическим спектральным распределением пропорциональным 1/f ^α, где α≈1, а f – шумовая частота. Этот шум играет важную роль на низких частотах. Для большинства полупроводниковых приборов возникновение 1/f шума связано с поверхностными эффектами, особенно в МДП структурах.

Дробовой шум является преобладающим для большинства полупроводниковых устройств. При низких и средних частотах он не зависит от частоты, т.е. имеет «белый» спектр. Средний квадрат тока дробового шума определяется выражением:

, (14)

где I – абсолютная величина тока, протекающая через фотодетектор.