Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

Содержание 

Предисловие 
5 

1. Физические основы действия фотоприемников. Классификация 
фотоприемников и система их параметров 
6 

1.1. Оптическое излучение. Основные понятия и параметры 
6 

1.2. Взаимодействие оптического излучения 

с полупроводниками 
10 

1.3. Фотопроводимость 
12 

1.4. Классификация полупроводниковых фотоприемников 
19 

1.5. Параметры и характеристики полупроводниковых 
фотоприемников 
19 

2. Фоторезистор 
26 

2.1. Принцип действия и выбор материала 
26 

2.2. Фоторезисторы на собственной проводимости 
27 

2.3. Фоторезисторы с примесной проводимостью 
32 

2.4. Фоторезисторы с областью пространственного заряда 

на поверхности 
33 

3. Фотовольтаические приемники 
35 

3.1. Конструкция и основные принципы работы 
35 

3.2. Материалы, используемые при изготовлении фотодиодов 
38 

3.3. Параметры и характеристики фотодиодов 
39 

3.3.1. Фотодиоды с;?-и-переходом 
39 

3.3.2. Фотодиод с;?-г-и-структурой 
42 

3.3.3. Фотодиоды с барьером Шоттки 
43 

3.3.4. Фотодиоды с лавинным размножением 
45 

3.3.5. Фотоприемники со структурой металл - диэлектрик полупроводник 
46 

4. Фототранзисторы 
47 

4.1. Принципы работы и основные параметры 
фототранзисторов 
47 

4.2. Частотные характеристики БФТ 
50 

4.3. Некоторые конструкции современных БФТ 
51 

4.4. МДП-фототранзисторы 
52 

4.5. Полевые фототранзисторы с затвором типа металлполупроводник (барьер Шоттки) 
54 

5. Оптроны 
59 

5.1. Конструкция и принципы работы оптронов 
59 

3 

5.2. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных 
интегральных микросхем 
63 

5.2.1. Классификация и система обозначений оптронов 
63 

5.2.2. Система параметров оптронной техники 
64 

5.3. Характеристики различных типов оптопар 
66 

5.3.1. Диодные оптопары 
66 

5.3.2. Транзисторные оптопары 
68 

5.3.3. Тиристорные оптопары 
70 

5.3.4. Резисторные оптопары 
71 

6. Фотоэлектрические преобразователи энергии 
72 

6.1. Основные параметры фотопреобразователей 
72 

6.2. Фотопреобразователи с барьером Шоттки, 
МДП-структурой и гетеропереходом 
77 

6.2.1. Фотопреобразователи с переходом металлполупроводник (БШ) 
78 

6.2.2. Фотопреобразователи с гетеропереходом 
79 

6.3. Материалы, используемые при создании 
фотопреобразователей 
83 

6.3.1. Кремниевые солнечные элементы 
83 

6.3.2. Другие материалы для ФЭП 
86 

6.4. Повышение коэффициента полезного действия 
фотопреобразователей с помощью концентрации 
излучения и применения комбинированных солнечных 
элементов 
87 

7. Волоконно-оптические линии связи 
93 

7.1. Принцип построения волоконно-оптических линий связи 

и их особенности 
93 

7.2. Основные характеристики оптических каналов связи 
98 

7.3. Механизмы потерь в волоконных световодах 
99 

7.4. Компоненты в о л е 
100 

8. Многоэлементные полупроводниковые знаковые индикаторы... 103 

8.1. Общие положения 
103 

8.2. Полупроводниковые знаковые индикаторы 
105 

8.3. Конструкции полупроводниковых индикаторов 
107 

Библиографический список 
111 

4 

Предисловие 

Курс «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы» - один из 
основных при подготовке специалистов в области полупроводниковой 
электроники, поскольку практически любое современное электронное 
устройство включает приборы, принципы работы которых основаны 
на оптоэлектронном преобразовании сигнала или энергии. При изучении указанного курса очень важно, чтобы теоретические знания, полученные на лекциях, закрепились решением задач, с помощью которых вырабатываются навыки численных расчетов параметров конкретных оптоэлектронных приборов, и освоением методов измерений 
параметров и характеристик приборов в ходе выполнения лабораторных работ. Пе менее важно, чтобы при решении задач студенты умели 
использовать различные системы единиц оптоэлектроники и умели 
приводить все величины в одну систему единиц. 

Базовыми курсами при изучении данного предмета являются 
«Физика твердого тела», «Физика полупроводниковых приборов», 
«Твердотельная электроника», «Квантовая и оптическая электроника», поэтому в пособии не приводится ряд основных положений, 
изучаемых в этих курсах, или их описание значительно сокращено. 
Кроме того, в курсе не рассматриваются принципы работы и основные характеристики таких важных оптоэлектронных устройств, как 
светодиод и полупроводниковый лазер, так как эти приборы подробно рассматриваются в курсе «Квантовая и оптическая электроника». 

В каждой главе имеется описание принципов работы с необходимыми формулами и таблицами, приведены основные параметры и 
характеристики приборов и их классификация. 

5 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ 

ФОТОПРИЕМНИКОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ 

ФОТОПРИЕМНИКОВ И СИСТЕМА 

ИХ ПАРАМЕТРОВ 

1.1. Оптическое излучение. Основные понятия 
и параметры 

Излучение, используемое в оптоэлектронике, занимает диапазон 
электромагнитного спектра от сотых долей до сотен микрометров 
(рис. 1.1). 

Видимый 
свет 

Средняя 
ШК-область^, 

Ультрафиолетовое 
излучение 

Ближняя 
'Щ-област1;< 

Дальняя ИК-область 

0,01 
0,1 
0,4 0,8 
6 10 
100 
1000 

Рис. 1.1. Оптический диапазон электромагпитпого излучения [1] 

Этим 
волнам 
соответствуют 
колебания 
с 
частотами 
3•10^^..3•10" Гц. Соотношение, связывающее частоту v (Гц) и длину 
волны X (мкм) имеет вид v = З-Ю"/^ (с = v^). 

Энергию фотона (эВ) можно рассчитать по формуле 

/,v = i^(3B). 
(1.1) 

Оптический диапазон спектра состоит из нескольких областей: 
невидимое ультрафиолетовое (УФ) излучение с }. < 0,38 мкм, видимое излучение, воспринимаемое глазом человека и лежащее в сравнительно узкой области спектра, а также невидимое инфракрасное (ИК) излучение с X > 0,72 мкм. Инфракрасный диапазон, в свою 
очередь, делится на ближнюю, среднюю и дальнюю ИК-области. 

Оптическое излучение может характеризоваться энергетическими 
и фотометрическими величинами. Между всеми фотометрическими 
и энергетическими величинами существует строгая количественная 
связь [2]. 

6 

3 

Энергетические характеристики излучения. Оптическое излучение может быть охарактеризовано энергией фотона hv, измеряемой 
обычно 
в 
электронвольтах 
(1 эВ = 1,6-10"'^ Дж). 
Как 
всякая 
электромагнитная волна, оптическое излучение сопровождается 
переносом энергии, которая называется лучистой энергией W и 
измеряется в джоулях. 

Поток излучения Ф является мерой интенсивности оптического 
излучения. Он определяется как энергия, излучаемая, переносимая 
или поглощаемая в единицу времени. Если за время dt излучается 
(переносится или поглощается) лучистая энергия dW, то Ф = dWIdt. 
При равномерном временном переносе энергии лучистый поток 
Ф = Wit. Поток лучистой энергии измеряется в Дж/с или в Вт. 

Поверхностная плотность падающего потока излучения (или 
энергетическая освещенность) Р характеризует плотность падающего 
на облучаемую поверхность светового потока Р = d0ldS и измеряется 
обычно в Вт/м1 

Для полупроводниковых фотоприемников часто нужно знать 
число фотонов Щ, падающих на единицу приемной площадки 
приемника в единицу времени. Значение Щ определяют из 
соотношения Ж ф ^ т у . 

Энергетическая сила света I представляет собой интенсивность 
потока излучения в каком-либо направлении внутри единичного 
телесного угла и измеряется в Вт/ср. По определению телесный угол, 
равный 1 стерадиану (ср), образуется конусом, вершина которого 
расположена в центре сферы радиусом 1 м, а основанием является 
поверхность площадью 1 м^ на этой сфере. Так как вся площадь 
поверхности шара равна An/, точечный однородный источник света, 
излучающий 1 Вт в телесном угле 1 ср, будет испускать лучистый поток 
4л Вт, или 12,57 Вт. Сила излучения / служит для характеристики 
точечных источников излучения. Если / не зависит от направления, 
источник называется изотропным. В случае протяженного источника 
говорят о силе излучения элемента его поверхности. 

Энергетическая яркость В - сила излучения, выходящего с 
единичной 
поверхности 
(проходящего 
или достигающего 
эту 
поверхность) в заданном направлении, причем эта поверхность 
проецируется 
на 
плоскость, 
перпендикулярную 
заданному 
направлению: 

7 

Она измеряется в Вт/(м^-ср). Некоторые источники оптического 
излучения могут иметь яркость, одинаковую по всем направлениям. 
Такие источники называют ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта), или косинусными. Поток, излучаемый элементом поверхности такого источника в каком-либо направлении, пропорционален косинусу угла между нормалью к излучающей поверхности и 
рассматриваемым направлением. Строго следует закону Ламберта 
только абсолютно черное тело (АЧТ). 

Для характеристики спектрального состава излучения со сплошным спектром пользуются понятием спектральной плотности энергетических величин, которые представляют собой отношения соответствующих энергетических величин, взятых в бесконечно малом спектральном интервале от ХдоХ + dKK ширине этого интервала dX. 
Например, спектральная плотность потока излучения Фх^ёФШХ. 
Единицей спектральной плотности потока излучения является 
Вт/мкм. 

Зависимость спектральной плотности энергетической величины 
от длины волны называется спектральной характеристикой данной 
величины. 

Фотометрические характеристики излучения. Светотехнические величины образуются так же, как энергетические. В табл. 1.1 показано соответствие между фотометрическими и энергетическими 
характеристиками оптического излучения. 

Таблица 1.1 

Энергетические и световые величины, соотношения меду ними и единицы [2] 

Энергетическая 
характеристика 

излучения 

Энергия излучения 
Поток излучения 
Сила излучения 
Энергетическая 
яркость 
Энергетическая 
светимость 
Энергетическая 
освещенность 

Обозначение 

W 

Ф 
I 

В 

м 

р 

Единица 
измерения 

Дж 

Вт 

Вт/ср 

Вт/(м^.ср) 

Вт/м^ 

Вт/м^ 

Световая 

характеристика 

излучения 

Световая энергия 

Световой ноток 

Сила света 

Яркость 

Светимость 

Освещенность 

Обозначение 

Wc 

Фс 
h 

Be 

Me 

^ с 

Единица 
измерения 

лм-с 

лм 

КД 

кд/м^ 

лм/м^ 

лм/м^ 

Сила света источника излучения представляет собой пространственную (или угловую) плотность, создаваемую этим источником 

8 

светового потока Ф,. Для определения единицы силы света служит 
эталон специальной конструкции, излучение которого соответствует 
излучению АЧТ при температуре отвердевания платины (2042 К). 
Сила света, излучаемого таким источником в направлении нормали к 
его поверхности с площади в 1/60 cм^ равна одной канделе (кд). 

Световой поток - поток световой энергии в единицу времени 
{d0,-hdn). 
Он измеряется основной фотометрической единицей люменом (лм). Люмен - это световой поток, испускаемый точечным 
источником силой 1 кд в телесном угле 1 ср. На длине волны, соответствующей максимуму спектральной чувствительности 
глаза 
(555 нм) 1 Вт излучаемой мощности эквивалентен световому потоку 
680 лм (рис. 1.2). 

1000 

100 
10 
1 

0,1 

400 
500 
600 

Х,нм 

700 

Рис. 1.2. Спектральная характеристика чувствительности 
человеческого глаза 

Световая энергия - это энергия света W, = 0,t. 
Освещенность - это плотность светового потока, падающего на 
поверхность {Р, = d0JdS). Световой поток 1 лм, равномерно распределенный на площади 1 ш\ создает освещенность 1 люкс (лк). 

Светностъ (светимость) источника М, = 0JdS - световой поток, 
испускаемый с единицы площади светящейся поверхности; она измеряется в лм/м^ (лк). 

Яркость - это сила света, выходящего с единичной поверхности 
(проходящего или достигающего этой поверхности) в заданном направлении, причем площадь этой поверхности определяется проекцией на плоскость, перпендикулярную к направлению, в котором 
излучается свет (эта величина аналогична энергетической яркости) 
{В, - dIJdS). Яркость измеряется в яш1{ср-ш\ 

9 

Для того чтобы перевести преобразования результатов измерения 
радиометрической мощности в фотометрические единицы, нужно 
воспользоваться характеристикой спектральной чувствительности 
человеческого глаза и спектральной характеристикой излучения источника света. Для монохроматического потока излучения Р (Вт) и 
монохроматического светового потока Ф (лм) связь в видимой области определяется зависимостью 

Р^ — , 
(1.3) 

где Ку^ - коэффициент световой эффективности, или фотометрический эквивалент излучения (лм/Вт), зависящий от длины волны. Отношение K}/K^,,,^V}. носит название относительного коэффициента световой эффективн ости. 

Для интегрального потока излучения пересчет можно выполнить 
умножением мощности, излучаемой на каждой длине волны, на относительный коэффициент спектральной световой эффективности 
для этой длины волны с последующим суммированием всех результатов. Интегральный световой поток Ф будет равен максимальному 
значению коэффициента световой эффективности {К^,,, = 680 лм/Вт), 
умноженному на интеграл произведения относительной спектральной эффективности (Fx) и на спектральную характеристику источника излучения {Sx) в диапазоне волн от 380 до 750 нм: 

750 

Ф=^„акс j ^ A ^ ^ - 
(1-4) 

380 

Это основное уравнение можно видоизменить для использования 
вместо глаза человека других приемников излучения путем замены 
Vx на кривую относительной спектральной чувствительности соответствующего приемника. 

1.2. Взаимодействие оптического излучения 
с полупроводниками 

Оптические явления включают весьма широкий круг процессов, 
протекающих в кристаллах при их взаимодействии с электромагнитным излучением в оптическом диапазоне длин волн [2]. Если на кристалл падает внешнее световое электромагнитное излучение, характеризуемое длиной волны ;. и интенсивностью /о(;.), то часть этого 

10 

излучения UX) отражается от поверхности, часть поглощается и оставшаяся часть Ij(X), если имеем дело с достаточно тонкой пластиной, проходит через образец. 

Коэффициент отражения R(X), определяемый соотношением 
R(X) = IR/IO, характеризует долю отраженного от кристалла света и 
является величиной безразмерной, выражаемой часто в процентах. 

Коэффициент пропускания Т(Х), определяемый соотношением 
Т(Х)^1т/1о, характеризует долю прошедшего через образец света и 
является величиной безразмерной, так же часто выражаемой в процентах. 

Коэффициент поглощения а(Х), определяемый законом Бугера Ламберта 

I^-Io(l-R)e-; a-(l/x)lnm-R)/Q, 
(1.5) 

характеризует интенсивность света, поглощенного в образце с единичной толщиной. Исходя из экспоненциального закона ослабления света, 
можно интерпретировать а"' как глубину, на которой интенсивность 
оптического излучения уменьшается в е раз. Коэффициент поглощения 
а имеет размерность обратной длины и измеряется в см"'. Величина (1 R) характеризует долю света, прошедшего через освещаемую поверхность образца с учетом коэффициента отражения. 

Поглощение оптического излучения связано с переходом энергии 
фотонов в другие виды энергии в кристаллах. Механизмы поглощения света классифицируются следующим образом: 

1) собственное, или фундаментальное, поглощение, связанное с 
электронными переходами между различными зонами энергии; 

2) поглощение свободными носителями заряда , связанное с электронными переходами внутри соответствующих разрешенных зон; 

3) примесное поглощение, связанное с электронными переходами 
между разрешенными зонами и примесными уровнями в запрещенной зоне; 

4) межпримесное поглощение, связанное с электронными переходами между примесными состояниями в запрещенной зоне; 

5) экситонное поглощение, связанное с созданием или распадом 
экситонных состояний; 

6) фононное поглощение, связанное с поглощением энергии световой волны колебаниями атомов решетки и рождением в решетке 
при этом новых фононов; 

11 

7) плазменное поглощение, связанное с поглощением энергии световой волны электронно-дырочной плазмой и приводящее к переходу плазмы в более высокие квантовые состояния. 

Для работы фотоприемников существенное значение имеют лишь 
те механизмы поглощения, которые приводят к образованию избыточных (по сравнению с равновесным состоянием) подвижных носителей заряда. В курсе «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы» мы не будем рассматривать теорию межзонных и примесных 
переходов, так как эта теория изучается в курсах «Физика твердого 
тела» и «Оптоэлектроника». 

1.3. Фотопроводимость 

Свободные носители, участвующие в электропроводности полупроводника и находящиеся в термодинамическом равновесии с решеткой, появляются в результате термической генерации. Они называются ;?авновесньшм, а проводимость в этом сщчж - равновесной 
проводимостью. Носители тока, возникающие в материале, минуя 
термическое возбуждение (например, при поглощении оптического 
излучения), называются неравновесными. Избыточной проводимостью называется разность между неравновесной и равновесной проводимостью. Полная электропроводность полупроводника 

и = qiix^no + li,po + 1хЛп + IXAPX 
(1-6) 

где По про 
- равновесные концентрации электронов и дырок; 
An и Ар - их неравновесные концентрации. 

Фотопроводимость - это проводимость, которая появляется в результате действия оптического излучения: 

a^-q(ii„An + li,Ap). 
(1.7) 

Например, при собственном механизме поглощения (hv>E,) концентрация электронов и дырок пропорциональна скорости оптической генерации g-aц(X)Nф, 
где Мф - поток фотонов, проникающих 
через поверхность полупроводника, CM'^C"'; Ц(Х) - квантовый выход 
фотоионизации (число электронно-дырочных пар, образуемых одним 
квантом света). 

Кроме процесса генерации при освещении может быть и рекомбинация носителей, причем с ростом концентрации неравновесных 
электронов и дырок интенсивность рекомбинации увеличивается. 
Поэтому через некоторое время после начала процесса освещения в 

12 

полупроводнике устанавливается постоянная (стационарная) проводимость. Ей соответствуют стационарные значения неравновесных 
концентраций электронов и дырок: 

An^j = аг[(к)МфХ„; Ар^^ = аг[(к)МфХр. 
(1.8) 

Формулу для стационарной фотопроводимости можно записать в 
виде 

стФ.ст = <УФп + <УФр = ar[(X)([i„Tn 
+ ЦрТр). 
(1.9) 

Интенсивность излучения спадает вглубь полупроводника по закону 

Жф(х) = Жф^ ехр(-ах) = Жф^ [l-R(X)]cxp(-ax), 
(1.10) 

где Мф - поток фотонов, падающих на поверхность полупроводника. Объемная скорость генерации носителей тока в плоскости, находящейся на расстоянии х от освещаемой поверхности полупроводника, определяется уравнением 

g(x) = аг[(Х)Мф(х) = аг[(Х)Мф[1 - R(X)]exp(- ах). 
(1.11) 

Скорость генерации носителей на поверхности полупроводника 

g{0) = a^{X)N^^[l-R{X)]. 
(1.12) 

Квантовый выход фотоионизации г[(к) учитывает, что часть энергии поглощенных фотонов расходуется без образования неравновесных электронов и дырок. Вблизи края собственного поглощения для 
некоторых полупроводников г[(к) <1, что может быть связано с экситонным поглощением. У ряда других материалов в области края 
собственного поглощения ri(}^)»l. При дальнейшем увеличении 
энергии фотонов г[(к) в таких полупроводниках г[(к) может даже 
превышать единицу, что обусловлено дополнительной генерацией 
свободных носителей вследствие ударной ионизации. У германия это 
происходит при hv » 4Eg, у кремния - при hv » 3Eg. 

Если коэффициент поглощения мал, а пластинка имеет такую 
толщину (О, что аю « 1, то величина скорости оптической генерации g практически не зависит от х. 

Если коэффициент поглощения велик и а ю » 1, то излучение 
почти полностью поглощается в приповерхностной области полупроводника. 

13 

Спектральная зависимость фотопроводимости связана со спектральной зависимостью а и г] от энергии квантов. Фотопроводимость 
возникает при возбуждении только таким излучением, когда энергия 
фотонов превышает некоторое пороговое значение. При собственном 
поглощении пороговая энергия определяется шириной запрещенной 
зоны, а при примесном - энергией ионизации соответствующего 
уровня примесного центра. На рис. 1.3 показана спектральная зависимость фотопроводимости. 

Рис. 1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости 
полупроводника [2] 

Появление некоторой фоточувствительности при h\ < Eg объясняется тепловыми колебаниями кристаллической решетки, которые 
определяют флуктуации энергии электронов и значения Eg. С увеличением энергии фотонов фотопроводимость быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Этот спад объясняется малыми временами жизни носителей заряда в приповерхностном слое 
полупроводника, где преимущественно поглощаются фотоны с энергией h\ > Eg. Скорость рекомбинации здесь велика за счет поверхностной рекомбинации и большой концентрации носителей. Кроме того, у поверхности мала эффективная подвижность носителей заряда, 
так как движению их препятствуют многочисленные дефекты. Па 
поверхности и вблизи нее на перенос носителей влияют не только 
центры захвата, связанные с нарушением периодичности кристаллической решетки полупроводника, но и область пространственного 
заряда, который обусловлен поверхностными состояниями. Когда на 
полупроводник падает немонохроматическое излучение с известной 
спектральной плотностью, скорость генерации носителей для всего 

14