Квантовая эффективность

В настоящее время в приборостроении все более широко используются светолучевые методы обработки с помощью лазеров (оптических квантовых генераторов). По технологическим параметрам лазерная обработка близка к электроннолучевой. Носителями энергии являются фотоны (кванты световой энергии). Луч лазера представляет собой направленный поток когерентного светового излучения.

За последние годы бурное развитие получила лазерная электроника, значительный вклад, в которую внесли советские ученые Н. F. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Нобелевской премии за работы в области, оптических квантовых генераторов.

При изготовлении высокоскоростных переключающих полупроводниковых приборов (например, переключающих импульсных диодов, квантовых генераторов и др.) наряду с выпрямляющими свойствами большое значение имеет инерционность физических процессов в р —л-переходе.

Выше говорилось об интенсивном освоении микроволнового диапазона. Эта тенденция в принципе является «внутренним делом» радиоэлектроники, ибо потребителю чаще всего безразлично, какими средствами достигается поставленная цель. Важно, чтобы радиоэлектронная система отвечала предъявляемым требованиям, включая ограничения на массу, габариты, стоимость устройства и т. д. Поэтому освоение микроволнового и оптического диапазонов — это одна из примечательных и многообещающих черт внутреннего развития радиоэлектроники. Решение данной важнейшей задачи происходит комплексно. Идет параллельный процесс освоения техники генераторов новых типов, в первую очередь на полупроводниковых приборах, а также оптических квантовых генераторов.

Наоборот, квантовые усилители СВЧ в перевозбужденном режиме могут работать в качестве квантовых генераторов. Сначала были созданы (в 1954 г.) именно квантовые генераторы СВЧ-диапазона. Квантовые генераторы оптического диапазона были созданы в 1960 г. Генерация СВЧ-колебаний осуществляется также с

Оптическая локация. Системы активной оптической локации работают в видимом диапазоне спектра с Я = = 0,4-4-0,76 мкм либо в инфракрасном диапазоне с Х>0,76 мкм. Эти системы появились в связи с разработкой оптических квантовых генераторов — лазеров. Оптические локаторы позволяют получить высокую точность измерения угловых координат и радиальной скорости цели при малых размерах антенных устройств. Эти особенности обусловлены весьма малой длиной волны используемых электромагнитных колебаний и очень

10. Оптические преобразователи. В основу принципа действия оптических преобразователей положено преобразование потока оптического (светового и теплового) излучения. Преобразование измерительной информации осуществляется здесь обычно путем модуляции параметров источника излучения или оптического канала. Функциональные возможности оптических преобразователей и область их применения значительно расширились в связи с достижениями оптоэлектронной техники, в частности с созданием оптических квантовых генераторов, светодиодов и т. п.

С появлением и развитием оптических квантовых генераторов для точного измерения расстояний стали применять локацию световыми волнами. Приборы, построенные с использованием этого принципа, называют электрооптическими дальномерами (светодально-м е р ы). В электронных светодальномерах используют диапазон электромагнитных волн с длинами 10~5...10~4 см.

Применение оптических квантовых генераторов (OKJ, лазеров) позволило расширить возможности метода и исследовать поверхности малых размеров до К)"6 см2, имеющие существенные неоднородности по толщине или показателю преломления расположенных на

проводников, то емкостным методом практически невозможно проводить измерение вибрационных параметров изделий, изготовленных из диэлектрических материалов. Этого недостатка лишены методы с .использов а-' нием оптических квантовых генераторов.

С появлением и развитием оптических квантовых генераторов для точного измерения расстояний стали применять локацию световыми волнами. Приборы, построенные с использованием этого принципа, называют электрооптическими дальномерами (светодально-м е р ы). В электронных светодальномерах используют диапазон элек-

где R — коэффициент отражения фотонов от полупроводника; а — показатель поглощения; г — квантовая эффективность генерации, т. е. число возникающих пар носителей при собственном поглощении (или число носителей при примесном поглощении), отнесенное к числу поглощенных фотонов; Л/ф — число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени (оно может быть определено как мощность падающего на единичную поверхность излучения, отнесенное к энергии фотона /iv); т„ — время жизни неравновесных носителей заряда.

где а — толщина полупроводникового фоточувствительного слоя; b — его ширина; / — расстояние между электродами; R — коэффициент отражения; а — показатель поглощения; т) — квантовая эффективность генерации; #ф — число фотонов, падающих на единичную поверхность фоточувствительного слоя в единицу времени.

Квантовая эффективность генерации носителей 34

Для увеличения эффективности излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, так же как и в фосфид галлия, вводят примеси. Влияние азота на внешнюю квантовую эффективность т)ф проиллюстрировано на 7.34. Внешняя квантовая эффективность т)ф — это отношение числа фотонов, излученных светодиодом, к числу носителей заряда, протекающих через его электрический переход.

Параметры фотоэлементов такие же, как и параметры полупроводниковых фотоприемников (см. гл. 7). К ним относятся: чувствительность, квантовый выход или квантовая эффективность, шумы, минимально регистрируемая мощность излучения (пороговый поток), обнаружительная способность, темновой ток,постоянная времени,сопротивление, эксплуатационные и конструктивные параметры — максимально допустимая рассеиваемя мощность, нестабильность чувствительности и темнового тока во времени, температурный коэффициент чувствительности и др.

Поскольку квантовая эффективность видиконов с обычной

Фотодиод с широким р—/г-переходом. Ширина обедненной области фотодиодов на основе р—п-переходов, полученных из высокоомного (р=102 ... 3-Ю4 Ом-см) р-кремния при нулевом смещении составляла 2 .. .20 мкм [46]. При обратном смещении она увеличивается до 1 мм, т. е. такие диоды подобны р—i—п-структурам. Внутренняя квантовая эффективность в области 0,5 ... ... 0,9 мкм составляет 94 %, что соответствует токовой чувствительности 0,36 А/Вт. Времена фотоответа составляют 30 ... 40 не. На 5.23 показана спектральная зависимость детектирующей способности при фотоволь-таическом режиме двух диодов с разной глубиной залегания р—n-перехода. Толщина освещаемой низкоомной области n-типа составляет 2,0 и 0,3 мкм. Максимальное значение D* равно приблизительно 1,2-1012 см ¦ Вт-1 Гц1/2. Проявляя более высокую чувствительность в коротковолновой области спектра, образцы с меньшей глубиной залегания имеют более низкое значение D* в максиму-

Фотодиоды на основе инверсионного слоя изготавливают из кремния р-типа. Тонкий инверсионный слой создается на границе раздела БЮг—p-Si. Толщина инверсионного слоя равна приблизительно 0,1 мкм. Коротковолновая чувствительность таких структур достигает высоких значений. При использовании кремния с удельным сопротивлением 102 Ом-см квантовая эффективность около 65%- Абсолютная чувствительность при ?i=0,2 ... ... 0,& мкм составляет 0,1 ... 0,3 А/Вт. Недостатком структур такого типа является деградация поверхностных состояний при облучении высокоэнергетичными фотонами и связанные с этим нестабильности.

ограничена главным образом прозрачностью слоя SiCb. Квантовая эффективность достигает 80 %. Сравнение экспериментальных результатов со значениями квантовой эффективности для идеального поверхностно-барьерного фотодиода, рассчитанными теоретически, показывает хорошее совпадение данных. Ячеистые структуры обладают рядом преимуществ перед фотодиодами как на основе барьеров Шотки, так и на основе инверсионных слоев. Токи утечки у них при U=\ В составляют 8-Ю-12 ... 7-Ю-10 А/см2. Они отличаются также малыми удельными емкостями.

где т] — квантовый вход внутреннего фотоэффекта; Т\ — доля светового потока, прошедшего в полупроводник; Smax — максимальная напряженность электрического поля в барьере. Уравнение получено для одномерного случая в отсутствие разогрева неравновесных носителей и рекомбинации их в истощенном слое. Эта формула также хорошо описывает зависимость фоточувствительности диодов от напряжения смещения ( 6.9). Максимальная квантовая эффективность при Луж2,5 эВ достигала 0,4 электрона на фотон.

[85]. Полупрозрачный слой серебра создавали вакуумным напылением при температуре подложки 150° С. Оптимальная толщина слоя Ag 40 нм. Исходным материалом служил монокристаллический GaAs с концентрацией электронов примерно 3-Ю17 см-3. Поверхность его обрабатывалась в растворе брома с метанолом. Омическим контактом служил слой серебра, напыленный на поверхность GaAs и отожженый при 400°С в атмосфере водорода. Диаметр чувствительной площадки фотодиодов 1 мм. На 6.11 представлены спектральные характеристики фотодиодов, отличающихся толщиной слоя серебра на светочувствительной поверхности. При ^,=0,32* мкм квантовая эффективность составляла 0,5. ..0,6. Напряжение пробоя равно 3... ...4 В. Высота барьера Ag —GaAs-структуры, определенная по ВАХ, составляла по вольт-емкостным характеристикам— 0,82 и 1,05 эВ.