Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 576 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников 

СЮ. Юрчук 
СИ. Диденко 
Г.И. Кольцов 

Полупроводниковые 
оптоэлектронные приборы 

Л а б о р а т о р н ы й практикум 

Одобрено редакционно-издательским 
советом института 

Москва 
Издательство «УЧЕБА» 
2 0 0 6 

УДК 621.383 
Ю83 

Рецензент 
д-р. физ.-мат. наук, проф. А.Н. Ковалев 

Юрчук С.Ю., Диденко С.И., Кольцов Г.И. 
Ю83 
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2006. – 63 с. 

Лабораторный практикум включает описание принципов работы основных оптоэлектронных полупроводниковых приборов: фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов и др. Представлены схемы измерения и 
методики расчета основных параметров и характеристик оптоэлектронных 
приборов. 

Для усвоения предлагаемого материала необходимо иметь базовые знания по курсам «Физика твердого тела», «Физика полупроводниковых приборов», «Квантовая и оптическая электроника». 

Предназначен для студентов специальности 210104 (2001) «Микроэлектроника и твердотельная электроника» (специализация «Физика и технология 
интегральных микросхем и полупроводниковых приборов»). 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные правила техники безопасности при выполнении 
лабораторных работ 
4 

Лабораторная работа 1. Изучение характеристик фотодиодов 
6 

Лабораторная работа 2. Фотоэлектрические преобразователи 
энергии 
20 

Лабораторная работа 3. Изучение основных характеристик 
биполярных фототранзисторов 
40 

Лабораторная работа 4. Изучение характеристик оптронов 
49 

3 

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 

БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Выполнение лабораторных работ связано с использованием электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые элементы их находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам 
студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности, о получении которого должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале. 

Студенты, работающие в лаборатории, обязаны руководствоваться инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей о соблюдении мер безопасности при работе с установками. 
Выполнение работ в отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается. 

Студенты, не выполняющие правил техники безопасности или 
допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются 
от выполнения работ. 

Запрещается загромождать рабочее место посторонними предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не 
относящимися непосредственно к выполняемой работе. 

Перед выполнением практической части лабораторного задания 
необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, схемой 
включения приборов, обратив особое внимание на цепи, находящиеся под повышенным напряжением. 

Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного зануления 
корпусов приборов. Работа с незануленными или неисправными 
приборами, установками и стендами, не имеющими защитных кожухов, запрещается. 

Первое включение собранной схемы, а также ее включение после 
внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. 

Пользоваться кабелями питания с поврежденной изоляцией проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными штепсельными 
розетками запрещается. 

Все производимые в схеме установки изменения, снятие испытуемых приборов и переключения должны осуществляться только в 

4 

полностью обесточенных цепях. После подачи напряжения прикосновение к открытым токоведущим частям схемы или исследуемых 
полупроводниковых приборов запрещается. 

При пользовании переносными электрорадиоизмерительными 
приборами (например, тестерами) последние должны располагаться 
на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений держать 
эти приборы в руках или на коленях. 

Запрещается оставлять без надзора включенные установки и приборы. 

Запрещается бесцельное хождение пo лаборатории, посторонние 
разговоры, отвлечение других от выполняемой работы. 

При обнаружении неисправности в оборудовании (погасание индикаторной дампы, искрение, дым и т.п.) или резком зашкаливании 
измерительных приборов необходимо принять меры к немедленному 
обесточиванию приборов и устранению неисправности вместе с преподавателем или лаборантом. 

Если произошел несчастный случай, необходимо немедленно отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю 
иди лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему. 

5 

Лабораторная работа 1 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИОДОВ 

1.1. Цель работы 

Изучить основные физические принципы работы и параметры полупроводниковых фотодиодов, измерить их характеристики. 

1.2. Введение 

В приборах, работающих на фотовольтаическом эффекте, создаются потенциальные барьеры для подвижных носителей заряда, генерированных излучением, с помощью которых происходит разделение носителей зарядов. Рассмотрим некоторые особенности работы 
фотоприемников с потенциальным барьером, созданным различными 
методами. 

Когда оптическое излучение падает перпендикулярно плоскости 
р–n-перехода, поглощение квантов происходит в различных областях 
структуры. Коротковолновые фотоны с большим коэффициентом 
поглощения генерируют электронно-дырочные пары вблизи поверхности. Эти носители заряда за счет диффузии движутся либо к поверхности, либо к области пространственного заряда, поэтому коротковолновая часть спектральной характеристики будет определяться 
их временем жизни на поверхности и в объеме фронтальной области. 
Для повышения чувствительности в коротковолновой области желательно располагать p–n-переход ближе к освещаемой поверхности и 
увеличивать время жизни носителей заряда. Длинноволновая граница спектральной чувствительности прибора определяется временем 
жизни носителей заряда в тыльной (базовой) области и коэффициентом поглощения, соответствующим краю полосы основного поглощения. На фотоприемник с p–n-переходом можно подать обратное 
смещение и увеличить область пространственного заряда за счет квазинейтральной области; при этом растет фоточувствительность прибора и у длинноволнового края. Однако при подаче обратного смещения возрастает темновой ток, увеличиваются шумы и ухудшаются 
пороговые характеристики. На рис. 1.1 приведены спектральные характеристики кремниевого фотоприемника в зависимости от внешнего смещения, а на рис. 1.2 – спектральная характеристика фотодиода 
с различной толщиной освещаемой области. 

6 

SI, мА/Вт 

300 

200 

100 

0,4 
0,6 
0,8 
1 
λ, мкм 

Рис. 1.1. Зависимость спектральной характеристики фотоприемника 
от внешнего смещения 

5'i, отн. ед 

X, мкм 

Рис. 1.2. Зависимости спектральных характеристик фотоприемных 
p–n-структур от толщины освещаемой области 

7 

Как видно из рисунков, увеличение смещения и уменьшение глубины залегания p–n-перехода повышают чувствительность, в одном 
случае – в длинноволновой (уменьшение длины квазинейтральной 
базы), а в другом – в коротковолновой части спектра. 

Приблизить область пространственного заряда (ОПЗ) к освещаемой поверхности можно, используя вместо p–n-перехода контакт металл–полупроводник (барьер Шоттки). Область пространственного 
заряда контакта металл–полупроводник (МП) находится непосредственно у поверхности, и часть падающих квантов излучения hν ≥  Eg, 
пройдя через металл, генерирует носители заряда непосредственно в 
ОПЗ полупроводника. Слой металла, нанесенный на полупроводник, 
должен быть достаточно тонким (полупрозрачным), чтобы в нем не 
происходило заметного поглощения квантов. Однако даже тонкий 
слой металла приводит к сильному отражению излучения от его поверхности. 

Кроме этого, можно использовать эффект поглощения квантов в 
самом металле, если свободный электрон в металле приобретает 
энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера со 
стороны металла. 

Еще одна возможность расширить спектральный диапазон фотоприемника в коротковолновую область – использовать вместо гомоp–n-перехода гетеропереход, причем освещать более широкозонную 
область. В этом случае коротковолновые кванты, которые ранее поглощались в приповерхностной области p–n-перехода, будут свободно проходить через широкозонный материал и поглощаться в области пространственного заряда узкозонного полупроводника. Благодаря такой же конструкции расширение спектрального диапазона происходит не только за счет уменьшения роли поверхностной рекомбинации, но и за счет поглощения коротковолновых квантов в широкозонном материале. 

Фотоприемники со структурой диэлектрик–полупроводник и металлическим электродом объединены в один класс полупроводниковых МДП-приборов, хотя по принципу действия и по параметрам эти 
приборы могут принципиально отличаться друг от друга. Если диэлектрик туннельно прозрачен, т.е. возможен туннельный перенос 
через него носителей заряда, конструкция мало отличается от фотодиода с барьером Шоттки. В фото-МДП-диодах с толстым непрозрачным для туннельного переноса диэлектриком ток не течет. В 
этом случае для регистрации сигнала используется эффект разделения генерированных в области пространственного заряда полупро
8 

водника носителей, приводящий к фотовольтаическому эффекту, 
аналогичному тому, который наблюдается в p – n-переходе в отсутствие внешнего смещения. Для регистрации квантов излучения можно 
использовать изменение емкости МДП-структуры за счет генерации 
избыточных носителей заряда; такой прибор носит название МДПфотоварикап. В МДП-структурах темновой ток значительно меньше 
тока обратносмещенного перехода, поэтому регистрация изменения 
емкости значительно проще, измерения проще, ошибки измерения 
меньше, точность измерения выше. 

Во всех перечисленных конструкциях фотодиодов каждый поглощенный квант с энергией hv > Eg создает по крайней мере одну 
электронно-дырочную пару. Если к переходу приложить напряжение, близкое к пробивному, или специально создать в структуре фотоприемника область сильного поля, то за счет лавинного размножения носителей заряда можно получить более одной электроннодырочной пары на один поглощенный фотон. Такие фотоприемники 
с внутренним усилением называются лавинными фотодиодами 
(ЛФД). Кремний, как наиболее технологически совершенный материал, может использоваться во всех перечисленных типах фотоприемников. Наиболее подходящим диапазоном для кремниевых фотодиодов является ближняя ИК-область 0,8…0,9 мкм, где соответствующим выбором конструкции можно достичь квантовой эффективности, близкой к 100 %. Длинноволновая граница спектра поглощения кремния ?wp - 1,1 мкм. В этой области коэффициент собственного поглощения мал, поэтому эффективность фотопреобразования 
невелика. В коротковолновой области коэффициент поглощения 
кремния а > 105 см 1, все поглощение происходит в приповерхностной области, отсюда велики потери на поверхностную рекомбинацию и вклад коротковолновых квантов в спектральную чувствительность мал. 

Кроме кремния в видимой и ИК областях спектра обычно применяются двойные, тройные и даже четверные полупроводниковые соединения и сплавы групп AIIIBV и AIIBVI с нужной шириной запрещенной зоны. 

Электронно-дырочный переход представляет собою контакт двух 
областей полупроводникового материала различного типа проводимости. Существует много технологических приемов создания 
p – n-перехода, каждый из которых имеет характерный профиль распределения 
примеси 
вблизи 
металлургической 
границы 
p – n-перехода. Основные физические принципы и положения теории 

9 

работы р– n-перехода рассматриваются в курсе «Физика полупроводниковых приборов», поэтому сразу перейдем к принципам работы 
p – n-перехода в качестве фотоприемника. 

Параметры фотодиодов с p – n-переходом рассчитываются так же, 
как для обычных диодов, но с учетом скорости генерации носителей 
заряда квантами излучения определенной энергии, которая зависит 
от потока фотонов Ф^, коэффициента отражения r, поглощения а^ и 
расстояния х от поверхности фотодиодов, на которую попадет излучение: 

дn 

G(?1,x) = а;,Ф;,(1-r;,)exp(-а;,x). 

Подставляя 
G(k,x) 
в 
уравнение 
непрерывности 

— = G-R-div(jn)/q, 
решаем его для n-области толщиной Wб , 

р-области толщиной Wб с учетом граничных условий. Граничные 

p 

условия предполагают, что все носители заряда, подошедшие к поверхности, рекомбинируют, а все носители заряда, подошедшие к 
области пространственного заряда, переносятся полем в квазинейтральные области противоположного типа проводимости, в результате чего получаем распределение избыточных носителей заряда в квазинейтральных областях. 

Выражение для фототока можно получить, рассчитав дрейфовую 
и диффузионную составляющие: 

It=Apnq [ipEp-Dp—n dx 

Общий фототок равен сумме токов за счет генерации носителей 
заряда в квазинейтральных областях и области пространственного 
заряда. Если полученное значение общей плотности тока на данной 
длине волны отнести к количеству квантов, поглощенных во всех 
областях фотодиода, можно определить квантовую эффективность: 

Рассчитав таким образом квантовую эффективность для каждой 
длины волны, строим спектральную характеристику внутренней 
квантовой эффективности. Внешняя квантовая эффективность Лх определяется без учета коэффициента отражения: 

10 

Спектральная чувствительность рассчитывается после определения общей плотности тока и мощности потока излучения: 

Sx = jXобщ /Px. 

При освещении общий ток фотодиода определяется фототоком I Ф 
= Iобщ = Аpnqг\хвн и темновым током: 

I = I Ф + IS[exp(qUвн/mkT) - 1], 

где IS - обратный, или темновой, ток диода. 

Для того чтобы определить порог чувствительности данного фотоприемника и его обнаружительную способность, необходимо проанализировать всевозможные источники шумов фотоприемника. Например, для фотоприемника с p – n-переходом, работающего в фотовольтаическом режиме, можно принять, что шум определяется джонсоновскими шумами дифференциального темнового сопротивления 

Rт, которое при нулевом смещении равно kTm /qIS (U2 =kTAfRт или 

I 
=4kTAf/Rт). 

Если Р ш - эквивалентная мощность шума, т.е. мощность потока 
квантов, определяющая на выходе напряжение, равное напряжению 
шума, то 

Тогда обнаружительная способность будет равна 

D^* = qn^X(AфRтfAf/ 2/2hc(kTJ/2 , 

где АФ - площадь освещаемой поверхности. 

Отсюда следует, что обнаружительная способность фотоприемника, работающего в фотовольтаическом режиме, определяется квантовой эффективностью и зависит от квадратного корня из произведения площади фотоприемника на дифференциальное темновое сопротивление. Для увеличения обнаружительной способности необходимо повышать дифференциальное сопротивление, т. е. снижать обратные токи. 

В общем случае, кроме дифференциального сопротивления Rт , 
необходимо учитывать все сопротивления, входящие в эквивалент
11