ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР Советский патент 1973 года по МПК H01L31/224 

1

Известен полупроводниковый фоточувствительнын прибор с выпрямляющим контактом металл-полупроводник у освещаемой поверхности. Для обеспечения пропускания излучения в полупроводник металлический электрод в таком фотодиоде выполнен в виде решетки или полупрозрачной пленки. Спектральный диапазон чувствительности такого фотодиода - основная полоса поглощения полупроводника. Фоточувствительност ь определяется областью полупроводника у освещаемой поверхности, включающей в себя запорный слой и примыкающий к нему слой толщиной порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда. Если такой фотодиод освещать с противоположной стороны, то спектр фоточувствительности изменится и в случае, когда толщина полупроводника d(W+2L) (где W - толщина запорного слоя, L - диффузионная длина неосновных носителей заряда), наблюдается спад фоточувствительности и высакоэнергетической области, обусловленный уменьшением глубины проникновения излучения в полупроводник относительно расстояния от освещаемой поверхности до запорного слоя из-за роста коэффициента оптического поглощения. Спектральный диапазон фоточувствительности в этом случае сужается до величины, соизмеримой со спектральной шириной низкоэнергетического края основной

полосы поглощения . Энергетическое положение пика фоточувствительности для данного материала полупроводника зависит от толщ-ины запорного слоя W, толщины полупроводника d и может быть предварительно задано при конструировании прибора путем выбора материала с нужной концентрацией основных носителей заряда и геометрических размеров полупроводника. В одном случае фотодиод используется как приемник излучения при энергии фотонов (где Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника). В другом - как узкополосный избирательный приемник излучения с . Такой приемник может быть удобным для индикации излучения полупроводникового лазера, светодиода и т. п.

Однако этот фотодиод невозможно использовать в схемах автоматики, телемеханики и оптоэлектроники, когда возникает необходимость в электронном переключении фотодиода с одного спектрального диапазона фоточувствительности на другой.

Цель изобретения - получить возможность электронного переключения путем изменения внешнего напряжения с режима фоточувствительности при во всем диапазоне основной полосы поглощения полупроводника на режим чувствительности при и полушириной пика, соизмеримой с А, со сменой Зна1ка фототака, а так1Ж.е воз1можность обратпого переключения (En - пороговая энергия, зависящая от геометрических размеров фотодиода, физических параметров полупроводника и соизмеримая с шириной запрещенной зоны пол)проводника)Это достигается тем, что прибор на тыльной стороне содержит второй выпрямляющий контакт, а расстояние между выпрямляющими контактами определяется из условия

4(W+L)d(W+2L),

где W - толщина запорного слоя у неосвещенной стороны;

d - расстояние между контактами; L - диффузионная длина неосновных

носителей тока.

Если к предлагаемому фотодиоду не прикладывать извне напряжения, то он фоточувствителен в области во всем диапазоне основной полосы поглощения. При этом вблизи ЕП фоточувствительность определяется обоими выпрямляющими контактами, поскольку коэффициент поглощения мал, и излучение проникает во всю толщу полупроводника. Так как электрические поля запорных слоев в таком поверхпостно-барьерном диоде направлены противоположно, то фототоки (или фотоэ. д. с.), обусловленные обоими запорными слоями, вычитаются. В области основной полосы поглощения, где коэффициент оптического поглощения К 10-10 и эффективная глубина проникновения излучения l//v 10 -10 еж,фоточувствительность определяется лищь выпрямляющим контактом у освещаемой стороны.

Для осуществления электронного переключения предлагаемого прибора на режим избирательной чувствительности при и со сменой знака фотосигнала достаточно приложить к фотодиоду напряжение, расширяющее запорный слой на тыльной поверхности и сужающее запорный слой на освещаемой. В случае полупроводника п-типа плюс подается па электрод, у освещаемой стороны. Больщему напряжению соответствует большее изменение толщины запорных слоев. Фотосигнал в избирательном режиме обусловлен обоими выпрямляющими контактами и зависит от толщины запорных слоев- Поскольку запорный слой у неосвещаемой стороны толще, то именно этим слоем в основном определяется фотосигнал при „. При также существует фотосигнал, но за счет работы только суженного запорного слоя у поверхности, так как в таком случае излучение поглощается только в пределах этого слоя. Однако фотосигнал этот значительно меньше, чем при нулевом смещении. Это связано как с сужением запорного слоя у освещаемой поверхности, так и с уменьшением дифференциального сопротивления этого слоя при приложении к нему прямого смещения из-за роста крутизны вольт-амперной характеристики.

Смена знака фотосигнала при Е - Ва вызвана

противоположным направлением электрических полей запорных слоев.

Для того, чтобы амплитуда пика фоточуьствительности в избирательном режиме была максимальной и соизмеримой с максимальной фоточувствительностью в области при работе в неизбирательном режиме, толщина полупроводника d должна удовлетворять условию1(W+L)d(W+2L),

L - диффузионная длина неосновных

носителей заряда;

W - толщина запорного слоя у неосвещаемой стороны при работе фотодиода в избирательном режиме.

Верхний, предел, т. е. 1(W+L}, обусловлен необходимостью уменьщения потерь фоточувствительности из-за того, что не все излучение, вошедщее в полупроводник, поглощается в области (W+L) у неосвещаемой поверхности. Нижний предел толщины, т. е. W+IL, обусловлен необходимостью исключения роста фотосигнала в области за счет диффузии фотоносителей, генерируемых у освещаемой поверхности, в область W+L у неосвещаемой поверхности. С целью получения большей амплитуды пика при напряжение должно

быть соизмеримо с напряжением пробоя запорного слоя- В таком случае толщина запорного слоя у освещаемой поверхности может быть принята равной нулю.

Для экспериментальной проверки был изготовлен фотодиод описанной конструкции из арсенида галлия с концентрацией свободных электродов 5 - 10 см из пластинки толщиной 23 мк. Выпрямляющие контакты были получены с помощью золотых электродов. На освещаемой стороне толщина полупрозрачно0

ГО электрода была «100 А. В избирательном режиме при напряжении 22 в амплитуда пика фоточувствительности при примерно на

порядок превыщала фоточувствительность при .При этом она соизмерима с величиной максимальной фоточувствительности при нулевом смещении в области „. При меньших напряжениях пиковая фоточувствительность уменьшалась, а фоточувствительность в основной полосе поглощения увеличивалась.

Предмет изобретения

Полупроводниковый фоточувствительный прибор, содержащий на освещаемой поверхности выпрямляющий контакт с металлическим полупрозрачным электродом, отличающийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона его фоточувствительности и возможности переключения с одного спектрального диапазона на другой, прибор на тыльной стороне содержит второй выпрямляющий контакт, а расстояние между контактами определяется из условия 2(W+L)(W+2L), :где W - толщина занорного слоя у неосвещенной стороны; d - расстояние между контактами; L - диффузионная длина неосновных носителей тока.