Динамическая перестройка спектральной чувствительности фотоприемных устройств
Динамическая перестройка области спектральной чувствительности ФП физическими полями
Под динамической перестройкой области спектральной чувствительности понимается быстродействующее изменение положения максимума чувствительности λмакс, управляемое физическим полем.
Поскольку λмакс зависит от ширины запрещенной зоны п/п материала чувствительного элемента (εG), то перестройка достигается благодаря зависимости εG от X→, где X→ – фактор поля, воздействующего на материал чувствительного элемента, имеющий в общем случае векторный характер. Рассмотрим зависимость края зоны собственного поглощения в полупроводниках от внешних физических полей.
Зависимость от температуры
Одной из основных является линейная зависимость εG(T):
εG(T) = εG(0) - α·T.
Здесь, εG – ширина запрещенной зоны, равная (εc - εv), где εc – дно зоны проводимости; εv – верх валентной зоны, а α =∂(εG)/∂T — коэффициент изменения ширины запрещенной зоны от температуры.
Для материала InSb:
∂(εG)/∂T = ∆εG K-1 = - 0,28 мэВ·K-1 = 1,2·10-2 мкм·K-1 =
12 нм·K-1, а ∆εG-InSb = 0,167 эВ при 300K.
При этом изменение длины волны спектральной чувствительности определяется зависимостью:
∆λ = -h·c·εG-2·∆εG = -1,24 εG-2·∆εG.
Здесь ∆λ измеряется в микронах, а εG и·∆εG — электрон-вольтах. Тогда изменение ∆λ от температуры определяется выражением:
∆λ/∆T = -1,24 εG-2·∆εG ∆T-1.
Для материала InAs:
∂(εG)/∂T = ∆εG K-1 = -0,28 мэВ·K-1 = 2,67·10-3 мкм·K-1 =
2,67 нм·K-1, а εG-InAs = 0,36 эВ при 300K.
Если учесть, что температурная зависимость удельной обнаружительной способности D*(T) приемника из InSb характеризуется снижением D* на 20% при изменении Т от 80 до 120 K, то при таком изменении ∆Т можно достичь перестройки длины волны ∆λ на 0,48 мкм.
Для материала Ge:
∂(εG)/∂T = -0,43 мэВ·K-1 = 1,2 нм·K-1, а εG-Ge = 0,665 эВ при 300K.
Для материала Si:
∂(εG)/∂T = -0,28 мэВ·K-1= 0,28 нм·K-1, а εG-Si = 1,12 эВ
при 300K.
Для таких полупроводников, как PbS, PbSe и PbTe, коэффициент α положителен.
Для материала фоторезистора PbS λмакс изменяется от 3,4 до 4,8 мкм при изменении температуры от 295 до 77K,
то есть ∂(εG)/∂T для PbS составляет 6,4·10-3 мкм K-1. Однако при изменении температуры от 295 до 77K D*(T) изменяется от 2·109 до 5·1010 см·Гц1/2·Вт-1, то есть больше, чем на порядок.
Для материала CdхHg1-хTe зависимость εG(х,T) определяется нижеприведенным эмпирическим соотношением:
εG(х,T) = -0,3424 + 1,838х + 0,1488х4 + [7,68·10-4Т + 6,29 ·10-2]·
·[(1 - 2/14х)/(1 - х)].
Для х = 0,22·∂(εG)/∂T = -64,7 мкэВ·K-1 =3,73·10-3 мкм·K-1 = 3,73 нм·K-1, а εG(х=0,22, T=300K) = 0,1466 эВ.
Тогда λгр. = h·c/εG ≈ 1,24·εG-1 .= 8,46 мкм.
Зависимость от гидростатического давления (всестороннего сжатия)
Для материала GaAs в диапазоне 0≤P<60·103 ∂(εG)/∂P =
9,4 мкэВ·атм-1, а для P≥60·103 ∂(εG)/∂P = -8,7 мкэВ·атм-1.
∆λ/∆P = -1,24 εG-2·∆εG ∆P-1· εG-GaAs = 1,43 эВ при 300K.
∆λ/∆P = -1,24 εG-2·∆εG ∆P-1 = -5,7·10-6 мкм·атм-1 =
-5,7·10-2 A°·атм-1 (0≤P<60·103·атм).
∆λ/∆P = -1,24 εG-2·∆εG ∆P-1 = 5,3·10-6 мкм·атм-1 =
5,3·10-2 A°·атм-1 (P≥60·103·атм).
Зависимость от магнитного поля
Учитывая соотношения:
εG(B) = εG(B) - αB; εG(B) = εG(0) + (eћ/2mr) Bz,
где mr = mn mp(mn + mp) – приведенная масса, для материала InAs получим:
∂(εG)/∂B = ∆εG Т-1 = 1,1 мэВ·Т-1, где В — магнитная индукция, T - Тесла (единица магнитной индукции В);
εG-InAs = 0,36 эВ при 300K.
∆λ/∆B = -1,24 εG-2·∆εG ∆B-1 = -10,5·10-3 мкм·T-1 =
-10,5·нм·T-1.
Зависимость от электрического поля
Сдвиг 10 мэВ достигается приложением электрического по-
ля напряженностью E~5·104 В·см-1, т.е. -2·10-4 мэВ·В-1·см =
-0,2 мкэВ·В-1·см.
∆λ/∆E = - 1,24 εG-2·∆εG ∆E-1, где E - напряженность электрического поля.
Для материала InSb:
εG-InSb = 0,167 эВ при 300K, ∆λ/∆E = 8,9·10-2 A°·В-1·см.
Техническая реализуемость динамической перестройки
Оценить техническую реализуемость способов динамической перестройки области спектральной чувствительности ФП физическими полями можно на основе метода "порогов". Он анализирует предельно допустимые значения тех факторов, которые не вызывают интенсивного дефектообразования в материале чувствительного элемента (ЧЭ) и/или его разрушения и могут обеспечить перестройку при длительной эксплуатации изделий.
Оценим возможности управления перестройкой спектральной чувствительности электрическим полем на примере приемников на основе InSb.
При воздействии электрического поля пороговым значением фактора является напряжение пробоя, характеризующее электрическую прочность материала. Эмпирическая зависимость электрической прочности для п/п диодных структур описывается формулой
Uпроб ≈ 60(εG/1,1)1,5(1016/CB)0,75 [3],
где εG – ширина запрещенной зоны п/п материала ЧЭ;
CB – концентрация примеси в слаболегированной области p-n-перехода. Формула верна до значений CB = 5 1016 см-3.
Для CB > 5 1016 см-3 действует механизм туннельного пробоя.
Для материала InSb имеем:
εG(T=300K) = 0,167 эВ; εG(T=77K) = 0,229 эВ; Uпроб(CB = 1 1015) ≈ 20 В; Uраб.(CB = 1 1015) ≈ 10 В (коэффициент запаса = 2).
Uпроб(CB = 5 1014) ≈ 22 В, а при CB = 1 1014 Uпроб ≈ 112 В.
λгр. = h·c/εG ≈ 1,24·εG-1, λгр. (в мкм); Е (эВ). λгр.(Т=77K) = 5,4 мкм.
Рассчитаем ∆λ/λ для толщины слаболегированной области 10 мкм и рабочего напряжения перестройки 10 В.
∆λ(∆E=10 В) = 0,0975 мкм; ∆λ/λ (∆E=10 В) = 0,0975/5,4 = 0,018 = 1,8%; ∆λ/λ (∆E = 66 В) = 11,88%.
Воздействие электрического поля на материал ЧЭ ФП достигается подачей на диодную структуру отрицательного напряжения смещения. Оно на несколько порядков превышает обычное напряжение смещения, необходимое для работы фотоприемника в фотодиодном режиме. Однако относительно большое напряжение отрицательного смещения приведет (за счет возрастания темнового тока) к неприемлемому ухудшению основного показателя фотоприемника D*.
Оценка воздействия спецфакторов
Оценим кратко влияние спецфакторов на стабильность сохранения в требуемых пределах диапазонов спектральной чувствительности фотоприемников и спектрального пропускания оптических фильтров. Для такой оценки также эффективен метод "порогов".
Известно, что свойства п/п ФП подвержены воздействию спецфакторов ввиду сильной зависимости свойств п/п материалов от этих факторов. При этом самый низкий порог,
с которого наблюдается изменение свойств материала, – это время жизни носителей заряда. Затем следует порог изменения концентрации носителей заряда. Самым же высоким является порог изменения подвижности.
С первым из порогов связано ухудшение квантовой эффективности приемников и, как следствие, – ухудшение их основного показателя D*. Деградация спектральной характеристики фотоприемника связана с последним из вышеуказанных порогов. Поэтому при воздействии спецфактора сначала наступает ухудшение D*, а затем изменение спектральной характеристики ФП.
При оценке радиационной стойкости ФП необходимо учитывать, что различные физические структуры обладают разной восприимчивостью к воздействию ионизирующих излучений. Так, если биполярные структуры ФП в большей степени подвержены влиянию нейтронного потока, то МДП-структуры более чувствительны к воздействию гамма-излучения из-за увеличения плотности наведенного заряда в слое диэлектрика.
На радиационную стойкость существенное влияние оказывает материал ЧЭ фотоприемника и его конструктивные параметры, например толщины активных слоев, обладающих фотопроводимостью, и пассивных слоев, пропускающих принимаемое излучение.
В общем случае более высокой стойкостью обладают ФП на основе широкозонных материалов с тонкими слоями физических структур. Примером радиационно стойкого ФП на примесной фотопроводимости может служить кремниевый ФП с блокированием прыжковой проводимости на основе BIB-структуры (Blocked Impurity Band).
В меньшей степени на радиационную стойкость ФП действует режим их работы (фотодиодный или фотовольтаический), влияющий на механизмы переноса фотогенерированных носителей заряда – диффузионного или полевого.
Радиационная стойкость оптических фильтров, так же как и ФП, зависит от материалов подложек, рабочих слоев и их толщин. Оптические фильтры деградируют при воздействии гамма-излучения из-за образования в их материалах центров поглощения (центров окраски), которые приводят к снижению пропускания.
В наиболее распространенных многослойных интерференционных фильтрах пороги деградации их спектральных характеристик могут не отличаться от порога деградации пропускания. Это обусловлено радиационным изменением действительной части комплексного коэффициента пропускания применяемых в них материалов.
В целом для различных видов ФП и оптических фильтров радиационное повреждение их спектральных характеристик отличается более высокими порогами по сравнению с порогами радиационного повреждения основных параметров – показателей назначения этих изделий.
Выводы
1. Использование температурной и полевой (по электрическому полю) зависимости εG позволяет осуществить динамическую перестройку области спектральной чувствительности фотоприемников. Однако это сопряжено со значительным ухудшением показателя D*. Кроме того, они не свободны от недостатков (см. таблицу).
2. Использование зависимости εG(P) требует всестороннего сжатия образца материала. Процесс можно реализовать на лабораторной установке, но он теряет смысл на практике при создании изделий для военной техники.
3. Использование зависимости εG от магнитного поля (В) неприемлемо по причине значительных массогабаритных характеристик подобных устройств.
Этими обстоятельствами объясняется то, что в мировой практике нет примеров применения физических полей для динамической перестройки области спектральной чувствительности.
Литература
1. Дмитриев Е. Разработка элементной базы фотоприемных устройств отображения видеоинформации. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №2, с.74–79.
2. Дмитриев Е. Фотоприемные устройства для многоспектральных оптоэлектронных систем. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №8, с.36—41.
3. Зеегер К. Физика полупроводников. Пер. с англ. под. ред. Ю.К.Пожелы. – М.: Мир, 1977.
4. Овсюк В.Н. и др. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. – Новосибирск: Наука, 2001.
5. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: – Уч. пособие для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1986.