Принципиальное устройство ГФТ
Принципиальное устройство ГФТ показано на рис. 1( его зонная диаграмма эмиттер — база — на рис. 55. Заштрихованной показана так называемая легированная плоскость, которая представляет собой тонкий (~0,1 мкм) сильно легированный акцепторами (Nа~1О11 см-2) слой, вводимый при резком гетеропереходе для снижения рекомбинационных потерь на границе раздела база — эмиттер. Широкозонный гетероэмиттер является прозрачным окном для излучения, поглощаемого в относительно узкозонной базе. Наличие пичкового потенциального барьера Dxc для неосковных носителей базы на границе гетероперехода позволяет независимо выбирать уровни легирования эмиттера Na и базы Ns так, чтобы N3<<N6, разделить области поглощения и переноса.
При этом удается достигнуть практически максимальной добротности фотоприемника (— 100 ГГц) при G>100. Гетерофототранзистор — двухполюсный прибор, который не имеет подключенной базы.
Как высокодобротный фотоприемник ГФТ является альтернативой лавинным фотодиодам, отличающейся большей технологичностью и менее жесткими допусками на разброс его параметров, в том числе напряжения смещения. По Ропор ГФТ существенно (на порядки величин) уступает лавинным фотодиодам. Однако для интегрально-оптических схем этот параметр в ряде случаев не является критичным.
Схема включения ГФТ соответствует схеме с общим эмиттером, для которой
где vб , v3 — средние скорости электронов около эмиттерного края базы и дырок около базового края эмиттера соответственно; 5vб/vз<50; Dxv= q(Up—Un)=DEg—DxC— скачок потенциала валентной зоны на границе гетероперехода; Dxс — скачок потенциала для зоны проводимости на границе гетероперехода; DEg = = ЕЭ—Еб — разница ширины запрещенных зон эмиттера и базы (рис. 55). Из выражения следует, что для получения больших G при Nэ/Nб<<1 и Vб/Vэ<50 необходимо выбирать гетеропары, у которых Dxc/Dxc велико и Dxv>>kT. Для AlxGa1-x As/GaAs при x = 0,28 Dxс=0,3 эВ, а Dxv = 0,053 эВ (~2 kT при T=300° С).
При комнатной температуре такой гетеропереход дает сравнительно небольшой выигрыш в G, что вынуждает повышать уровень легирования эмиттера вплоть до NЭ=1017 см-3. Эффективность гетероперехода значительно возрастает, если он плавный. Плавный гетеропереход получают, задавая x=var у перехода. При этом G возрастает примерно в exp (Dxc / kT) раз, что позволяет получать коэффициенты усиления фототока 300—600 при задержке >50 пс.
У гетеропары Gax In1-x_P/GaAs при x=0 величина ступеньки Dxv= 0,29 эВ (~11 kT), а Dxс=0,16 эВ, что позволяет практически нелегировать эмиттер. Могут быть также использованы структуры InGaAsP/InP, в которых в качестве широкозонного эмиттера используется фосфид индия. У двух последних пар в гетерофототранзисторах наблюдается значительный темновой ток, что практически исключает их применение в качестве низкопороговых скоростных фотоприемников. Высокий уровень легирования базы (Nб = IO18—1019 см~3)' позволяет получать объемное время жизни неосновных носителей t0>1 пс. При этом поле в базе Еб = Dxв /qWб= 104 В/см, что превышает пороговые значения для GaAs и InP. При таких полях перенос носителей происходит почти баллистическим путем при Vб= (1,5—2,5) • 107 см/с. При низких уровнях легирования эмиттера снижается его емкость СЭ=N1/2Э, что адекватно снижению уровня шумов приемника. Чтобы при этом не возрастало последовательное сопротивление эмиттера, его толщину уменьшают до нескольких десятых долей микрометра.
Гетерофототранзистор — весьма сложная многослойная структура. Однако она типичная для большинства скоростных высокочувствительных приемников с вертикальной топологией.
В любой из приведенных на рис. 54 структур коэффициент усиления фототока в соответствии с (63) определяется соотношением
— первичный фототок, обусловленный поглощением в активной области прибора доли излучения P0 ,
Здесь hв — квантовый выход внутреннего фотоэффекта; W — толщина активной области; а=1/а — длина поглощения.
По определению первичный фототок (65) равен току фотодиода, у которого коэффициент собирания равен hв. Полоса пропускания фотоприемника, ограниченная его инерционностью по выходной электрической цепи, Df=l/2ptp, где tp — время релаксации, зависящее от объемного t0, поверхностного времени жизни носителей фототока, площади фотоприемника, его конструкции. Для линейной кинетики фототока, когда tн=tс=tЭф=tp, tp = 0,35/Df, где tp = t3 определяется как время нарастания (или спада) импульса фототока в пределах от 0,1 до 0,9 его установившегося значения.
В структуре прибора всегда есть размер в направлении движения носителей, который ограничивает его быстродействие временем пролета:
где Vд max<(1—3)Vt=107—108 см/с. Из (66) следует, что для получения малых tnp необходимо сокращать критические длины, увеличивать поля в активной области прибора и выбирать материалы с большой подвижностью носителей. При этом инжектированные излучением носители должны иметь большую подвижность.
В общем случае tпр определяется как дрейфом, так и диффузией носителя. Последняя составляющая появляется тогда, когда излучение поглощается также вне активной области сильного поля. В диодных структурах это означает генерацию электронно-дырочных пар вне области пространственного заряда (ОПЗ). При этом [58] tпр=[WOПЗ +2(Lп + Lр)]/Vднас где Ln , Lp — диффузионные длины неосновных носителей в нейтральных р- и n-областях прибора соответственно; VДНАС — средняя дрейфовая скорость насыщения, определяемая скоростями носителей обоих знаков. Для большинства материалов, применяемых в быстродействующих фотоприемниках, VДНАС = VРНАС =VДНАС.
В выражении tP=tnp + tCX составляющая схемной релаксации tCX= (Rн+Rg)Cg ; Cg, Rg — полные емкость и последовательное сопротивление приемника; Rн — сопротивление нагрузки. При микроминиатюризации фотоприемников, что характерно для фотоприемников интегрально-оптических схем, время tcx уменьшается.
Конструкция фотоприемника должна быть такой, чтобы выполнялось неравенство tСX<tnp. Такой оптимизированной диодной структурой является р—i—n-диод, в котором область сильного поля расширена за счет i-области. В режим истощения при напряжениях смещения UCM>W2i /2ee0m0r, Wi=Wt. Если при этом Won3=1/а, то при фронтальном возбуждении практически все излучение будет поглощаться в области сильного поля диода. Таким образом, при h= 0,8—0,9 размеры i-области оказываются тем меньше, чем больше коэффициент поглощения излучения а в данном материале. В соответствии с этим для p=Si с р=104 Ом-см в диапазоне l=0,8—0,9 мкм толщины Wi = 20—50 мкм при Won3 = = 10—20 мкм и Uсм = Uис = 5 В. При этом tр <150 нc и уменьшается с ростом напряжения смещения до единиц наносекунд при UCM = 100 В.
Диапазону длин волн 0,9—1,6 мкм соответствуют материалы AiiiBv, в частности n-- lnP, -InGaAs, -InGaAsP, для которых условие Wi=1/a при R выполняется уже при толщинах 3— 10 мкм. У этих материалов наблюдаются и самые высокие подвижности носителей, достигающие при комнатных температурах 104 см3/В с. (mn =12600 см2/В с, n- Ino,53Gao,47As, lо=1,3мкм). Для приемников излучения на l<0,9 мкм, в частности на l=0,82 мкм, широко используется GaAs, AlGaAs, для которых хорошо отработаны технологии получения практически всех типов скоростных фотоприемников. Ниже приведены некоторые значения параметров арсенида галлия, достаточные для расчета характеристик фотоприемников на его основе [58].
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Рассмотренные выше фотоприемники регистрируют оптическое излучение, попадающее на приемный элемент, как целое. Для регистрации оптического изображения, его последующей обработки и передачи электронными методами необходимо проводить поэлементный прием. Современные методы микроэлектроники позволяют сформировать на одном кристалле пленарную структуру в виде сетки фотодиодов с количеством элементов 1000 х 1000 и более.
Если на такой многоэлементный фотоприем ник спроектировать оптическое изображение, то сигнал в каждом элементе будет пропорционален освещенности в данной точке. Весь вопрос заключается в том, каким образом снять сигнал с каждого из элементов и как осуществить последовательное сканирование (выборку) этих элементов. В качестве примеров успешного решения этого вопроса рассмотрим: а) передающие телевизионные трубки типа «видикон» и
б) фоточувствительные приборы с переносом заряда. Видикон, плюмбиконы и кремниконы. Это электровакуумные приборы, представляющие собой электронно-лучевую трубку, мишень которой изготовлена из фоточувствительного материала. Они предназначены для конверсии оптического изображения в электрические сигналы и наиболее часто применяются как передающие телевизионные трубки. Схема трубки типа «видикон», поясняющая принцип ее работы, приведена на рис. 11.21. Оптическое изображение с помощью объектива формируется на тонкой фоточувствительной мишени. Эта мишень со стороны изображения покрыта электропроводящим слоем, прозрачным для оптического излучения (обычно SnO2). На этот слой через нагрузочное сопротивление Rн подается положительный потенциал Uраб порядка +50 В относительно катода. С противоположной стороны мишень сканируется электронным лучом, который управляется с помощью обычных фокусирующих и отклоняющих систем аналогично тому, как это делается в электронно-лучевой трубке. В рабочем режиме мишень действует подобно конденсатору с утечкой. При отсутствии освещения сопротивление рабочего слоя велико и электрический заряд накапливается на противоположных обкладках конденсатора. Со стороны электронного луча потенциал обкладки будет равен потенциалу катода, т. е. 0, в то время как с противоположной стороны он равен Uраб. При освещении мишени сопротивление фоточувствительного материала уменьшается и конденсатор будет разряжаться. Сопротивления слоев и их толщина подобраны таким образом,чтобы за время сканирования одного кадра растекание заряда по площади мишени было невелико.
Тогда разрядка будет происходить только в том месте, куда падает свет. Когда электронный луч достигнет «разряженной» области, он будет ее дозаряжать, вызывая ток через конденсатор (рабочую мишень) и через нагрузочное сопротивление Rн. Сумма протекающего заряда будет зависеть от того, насколько разрядился конденсатор, т. е. суммой света, падающего в данном месте на фоточувствительную мишень. Электрический сигнал, снимаемый с нагрузочного сопротивления, пропорционален протекающему через мишень току, т. е. освещенности мишени в том месте, куда падает электронный луч. Сканируя электронным лучом по поверхности мишени, мы таким образом преобразуем оптическое изображение в электрический сигнал.
Недостатком описанной выше трубки типа «видикон» является большое значение темнового тока. Этот недостаток отсутствует в трубке, получившей название «плюмбикон». Принцип действия этой трубки такой же, но рабочая мишень «плюмбикона» представляет собой слоистую p-i-n-структуру, изготовленную на основе окиси свинца РЬО (отсюда — название трубки), как показано на рис. 11.22, а. Прозрачный слой SnO2 выполняет роль контакта p-типа. С противоположной поверхности слой РЬО обогащен кислородом, что создает p-тип электропроводности. На n-SnO2 подается положительный потенциал Uраб, смещающий p-i-n-структуру в обратном направлении. Поэтому темновой ток мал.
Ширина запрещенной зоны РbО — около 2 эВ. Поэтому к красному свету с l > 0,6 мкм этот материал нечувствителен. Для повышения чувствительности в длинноволновом диапазоне добавляют тонкий слой PbS (Eg= 0,4 эВ) со стороны мишени, обращенной к электронному лучу.
Дальнейшее совершенствование мишени привело к замене сплошных фоточувствительных слоев сеткой из кремниевых фотодиодов, как показано на рис. 11.22, б. Передающая электронно-лучевая трубка с мишенью в виде кремниевой фотодиодной матрицы, предназначенная для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, называется кремниконом. Мозаика p-n-переходов общим числом 106 и более (до 108) изготавливается на кремниевой пластине методом диффузии или
ионной имплантацией. На поверхность, обращенную к электронному лучу, наносится тонкая проводящая пленка, предохраняющая пленку SiO2 от накопления заряда.
На n-область мишени через контактный n+-слой подается небольшое положительное напряжение Uраб~5... 10 В, смещающее p-n-переходы в обратном направлении и заряжающее их емкости. Освещение приводит к появлению фототока и разрядке емкостей p-n-переходов. При сканировании электронным пучком происходит их дозарядка. Протекающий через сопротивление Rн ток формирует видеосигнал, в котором закодировано изображение.
Темновой ток, искажающий видеосигнал, в кремниконе очень мал и находится на уровне 10 нА. Устройство обладает хорошей чувствительностью в спектральном диапазоне 0,4...0,9 мкм.
Отметим, что все рассмотренные выше мишени как приемники оптических изображений работают в режиме накопления. Типичная длительность кадра tк=(1/25) с, а длительность цикла опроса t0 на 2 — 3 порядка меньше. Это позволяет повысить чувствительность приемника.
Основные недостатки рассмотренных выше приемников изображений типа «видикон» характерны для всех электровакуумных приборов и связаны с необходимостью вакуумирования, а также использования больших ускоряющих напряжений UA и сравнительно больших мощностей для управления электронным пучком. Этих недостатков лишены полностью твердотельные приемники оптических изображений, основанные на использовании эффекта переноса заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС).
Приемники изображения на ГОС. Это растровые безвакуумные приемники оптических изображений. Они осуществляют восприятие изображения, его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Поэлементное считывание происходит за счет управляемого перемещения макроскопических зарядовых пакетов вдоль полупроводниковой подложки в приборах с переносом заряда при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов.
Фотоприемник на ПЗС представляет собой специальную фоточувствительную МДП (или МОП)* — микросхему с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика настолько близко друг к другу, что за счет перекрытия электрических полей соседних электродов внутри полупроводника становится существенным их взаимодействие. Основу прибора составляет элементарный конденсатор со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-конденсатор). Наиболее часто в качестве полупроводника используется кремний, а функцию диэлектрика выполняет его окисная пленка SiO2.
На рис. 11.23, а изображен такой МОП-конденсатор: металлический электрод, нанесенный на термически окисленную подложку из p-кремния. Если к металлическому электроду приложить положительное напряжение Uo относительно p-подложки, то на границе раздела SiO2-Si образуется потенциальная яма для неосновных носителей заряда (электронов). Распространение потенциальной ямы вдоль границы раздела, т. е. вдоль поверхности кремния, ограничивается специально созданными р+-областями полупроводника, имеющими тот же тип проводимости, что и подложка, но степень легирования на несколько порядков выше. Их называют областями стоп-диффузий. Ограничение обеспечивается тем, что в низкоомных областях стоп-диффузий поверхностный потенциал на границе раздела близок нулю (рис. 11.23, б). При воздействии света с hw>Eg возникающие в полупроводнике неосновные носители заряда (электроны) собираются в потенциальной яме вблизи границы раздела и образуют инверсионный слой толщиной порядка 10 нм. Это пояснено на рис. 11.23, в. Процесс идет аналогично тому, как это происходит в фотодиоде, с той разницей, что сквозному движению носителей заряда препятствует потенциальный барьер на границе диэлектрик — полупроводник. Поэтому в потенциальной яме накапливается заряд Q, который пропорционален интенсивности и времени воздействия света. При увеличении заряда Q в яме поверхностный потенциал уменьшается, как это показано сплошной линией на рис. 11.23, б. Обедненная область схлопывается, а емкость электрод — подложка увеличивается.
Таким образом, в течение промежутка времени, меньшего времени релаксации, МДП (МОП)-конденсатор может служить запоминающим элементом для аналоговой информации. Это прибор динамического типа, а носителем информации в нем является зарядовый пакет, который определяется интегралом от светового потока по времени накопления с учетом разрядки за счет процессов рекомбинации и возможных утечек.
Пусть теперь два МДП-конденсатора, изготовленные на общей подложке с общим диэлектрическим слоем, расположены настолько близко друг к другу, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы взаимодействуют («связываются»). Тогда подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где выше значение поверхностного потенциала, т. е. где глубже яма. Если изменять потенциал во времени, то заряд будет перетекать в наиболее глубокую часть потенциальной ямы. В этом и состоит идея управляемого переноса заряда от одного электрода к другому. Она проиллюстрирована на рис. 11.24 на примере ставшей классической трехкратной (трехфазной) схемы.
Электроды в ПЗС-фотоприемной матрице располагаются в виде линейки (строки) или матрицы, как показано на рис. 11.24, а. Зазор между электродами 1...2 мкм и менее. Число электродов в линейке обычно 5 • 102...2-103, а в матрице может достигать 106 и более. Электроды изготавливаются из алюминия или поликремния (для улучшения прозрачности). Одна строка от другой в матричном приемнике отделяется узкими областями p+-стоп-канальной диффузии. Одна элементарная ячейка фотоприемника на ПЗС включает три соседних электрода одной строки, обозначенные Э1 — ЭЗ на рис. 11.24, а. Каждый из однотипных электродов подсоединен к своей шине тактового питания. Функцию фотоприемника выполняет одна структура, например, первая. Две другие служат для считывания, коммутации и вывода сигнала.
В течение первой фазы (диаграмма «а» на рис. 11.24) происходит прием оптического сигнала в каждой из Э1-структур. К электроду 1 прикладывается положительное напряжение смещения Uo около 10...20 В.
За это время в каждой из Э1- структур происходит накопление заряда пропорционально освещенности в данной точке.
Во время второго цикла (диаграмма «б») к электроду 2 прикладывается напряжение считывания исч>и0. Происходит перетекание накопленного зарядового пакета в более глубокую потенциальную яму, т. е. под электрод Э2.
Во время третьей фазы (диаграмма «в») потенциал с электрода 1 снимается и заряд полностью перетекает под электрод Э2. Третий электрод ЭЗ играет роль буфера, обеспечивающего однонаправленное перемещение заряда. Если бы он отсутствовал, то зарядовый пакет из ячейки Э1 мог бы равновероятно перетекать как вправо, так и влево.
Итак, зарядовый пакет перенесен на один шаг вправо и подготовлен к следующему перемещению. Чтобы переместить его на полную ступень (элементарную ячейку), надо произвести три переноса из ямы в яму, для чего требуется три отдельных тактовых импульса, как показано на временных диаграммах рис. 11.24, г.
В конце каждой строки имеется элемент вывода, не показанный на рис. 11.24. Таким элементом может быть, например,
n+-область под последним электродом. Когда очередной зарядовый пакет достигнет этой области, он свободно пройдет через р-п+-переход, создавая на нагрузочном сопротивлении выходной сигнал. Таким образом все зарядовые пакеты могут детектироваться с помощью единственного выходного диода, изготовленного на той же подложке. В этом состоит одно из существенных достоинств приборов с переносом заряда.
Для удобства технической реализации перечисленных выше функций обычно их пространственно разделяют, для чего имеются секции накопления, хранения и выходной регистр. Единичный кадр возбуждается в секции накопления (Э1) в течение 1/25 или 1/30 с (ТВ-стандарты), затем быстро (10~4...10~7 с) параллельно сдвигается в секцию хранения, из которой в течение времени накопления последующего кадра последовательно построчно переносится в выходной регистр. Обычно применяют два способа считывания из секции накопления: строчно-кадровый, при котором зарядовый пакет пробегает всю строку, и адресный или координатный, при котором зарядовый пакет от каждого элемента матрицы накопления передается в соседний с ним элемент матрицы хранения.
В последнем случае обе матрицы как бы вставлены друг в друга. Такие структуры называют фоточувствительными приборами с зарядовой инжекцией.
Зарядовый пакет сохраняется ограниченное время (порядка 10-1...10-3 с). Рекомбинация и захват электронов на объемные и поверхностные центры приводит к искажению хранимой информации. При передаче зарядового пакета из ячейки в ячейку также происходит некоторая потеря информации вследствие взаимодействия электронов зарядового пакета с поверхностными ловушками, а также неполного перетекания зарядов. Для уменьшения этих нежелательных эффектов применяют ряд мер как в системе электрического питания устройства, так и при его технологическом исполнении. Кроме рассмотренной на рис. 11.24 простейшей структуры типа приборах поверхностным каналом и одноярусным расположением электродов, существует много других разновидностей матричных фотоприемников на ПЗС, в том числе поверхностные фоточувствительные ПЗС с двух-и трехъярусным расположением электродов, фоточувствительные ПЗС с объемным (скрытым) каналом и др. Принцип их работы остается аналогичным рассмотренному выше.
Твердотельные приемники изображения делятся на две группы: линейные (однострочные) и двумерные (матричные). Для получения двумерного изображения с помощью линейного приемника нужно применять механическое сканирование, например, вращающимся зеркалом. В матричных фотоприемниках накопление заряда происходит в течение всего времени кадра, поэтому их фоточувствительность выше, чем линейных приемников, где время накопления заряда ограничено проходом одной строки. Современные матричные приемники оптических изображений на основе ПЗС характеризуются следующими основными параметрами: напряжение питания (амплитуда рабочих импульсов) — 10...30 В; фронты управляющих трапецеидальных импульсов — 0,01...0,1 мкс; максимальная тактовая частота — (1...50) МГц; относительные потери при единичном акте передачи — 10-3...10-5; минимальная (пороговая) экспозиция, различимая на фоне шумов,— (0.1...1) нДж/см2; динамический диапазон ~60 дБ; плотность темнового тока — (5...20) нА/см2; чувствительность S= 0,1...0,4 А/Вт в спектральном диапазоне — 0,4... 1,1 мкм для кремниевых приборов; разрешающая способность — (10...50) лин/мм.Основные области применения матричных фотоприемников на ПЗС — это телевизионная техника, распознавание образов, оптические измерения, фототелеграфия, ночное видение и т. д.
