Fenstereffekt und SAM (Separate Absorption and Multiplication)

Transkript

1 Fenstereffekt und SAM (Separate Absorption and Multiplication) Verwendung von Halbleitern mit verschiedenen Bandabständen zur Ausnutzung des Fenstereffekts: Bandbreite 1-2 spektraler Empfindlichkeit Transmission im Halbleiter 2 mit großem Bandabstand E g,2 für > 2 = hc/e g,2 Absorption im Halbleiter 1 mit kleinerem Bandabstand E g,1 für < 1 = hc/e g,1 Trennung von Absorptions(Photogenerierungs)zone und Multiplikationszone (Lawinenvervielfachung): SAM-APD Absorption (und Drift) im Gebiet mit kleinerem Bandabstand (z.b. n-in 0,53 Ga 0,47 As) und kleinerer Feldstärke, Lawinenmultiplikation in anschließender, schmaler Zone eines breitbandigen Halbleiters (z.b. n-inp) mit hoher Feldstärke, letzterer in Kontakt mit p + -(InP)Schicht Damit Reduktion des Dunkelstrombeitrags der Vervielfachungszone.

2 Band Gap Grading und Supergitter Anhebung des Verhältnisses n / p durch Band Gap Grading (örtlich veränderlichen Bandabstand höhere effektive Feldstärken für Elektronen als die für Löcher in der Sperrschicht (durch steileren Verlauf von E C verglichen mit dem von E V ) vergrößern das Verhältnis n / p Folgen von SAM-Zonen im Supergitter - periodische Folge dünner Schichten aus Halbleitern verschiedener Bandbreite oder gleicher Bandbreite, aber unterschiedlicher Dotierung bewirken unterschiedliche hohe Stufen im Leitungsband- und Valenzbandverlauf und so eine Modulation von n / p Heterostruktur und Supergitter Multiplikationsfaktoren für Elektronen und Löcher als Funktion der Sperrspannung U R

3 MOS-Kapazität bei starker Verarmung MOS - Metal-Oxide-Semiconductor MOS-Kapazität mit positiv vorgespanntem Gate (Metall) gegen (geerdetes) p-si- Substrat (N A = cm -3 ) mit ca. 100 nm dicker, isolierender SiO 2 -Schicht dazwischen Positives Gatepotential V G verdrängt Löcher von der Grenzschicht und schafft eine an freien Trägern verarmte Schicht mit raumfesten, negativen Raumladungen der Akzeptoren; Spannungsabfall hauptsächlich über Verarmungsrandschicht: V G OX S V 2 en /C G S A S OX hier : V OX G S S

4 MOS-Kapazität mit schwacher Inversion, CCD Werden freie Elektronen der Grenzschicht zugeführt, z.b. durch inneren Photoeffekt, kompensieren diese teilweise die negativen Raumladungen der Akzeptoren Spannungsabfall über Oxidschicht wächst, Spannungsabfall über Halbleiter sinkt, Verarmungsschicht wird schmaler, Verarmungsschicht wirkt als Speicher für freie Elektronen HF-Kapazität erhöht sich mit steigender Bestrahlungsstärke wegen abnehmender Breite der Verarmungsschicht CCD - Verkettung von M=S-Kapazitäten ermöglicht Ladungsträgertransport charge coupled device

5 MOS-Photodetektor Vorgespannte, relative MOS-Kapazität (Au-SiO 2 -n-si) als Funktion der Beleuchtungsstärke MOS-Photodetektoren haben große Spannungsempfindlichkeit, besitzen geringes Rauschen und werden für Bildaufnahmeeinheiten eingesetzt.

6 Positionsempfindliche Photodiode lateraler Photoeffekt Durch scharf gebündelten Lichtstrahl bei x erzeugte Photostrom i h teilt sich in einen Strom i 1 (x) und i 2 (x) auf, abgenommen an den Orten x=0 bzw. x=l; diese Ströme fließen über das p-gebiet mit spezif. Widerstand R. Es gilt: R' x i1 R'(L x)i2 ausgewertet mit Stromsummen und Strom- i1 1 i1 i differenzsignal 2 x L x (1 )L Auflösungsvermögen etwa 10 µm i i 2 i i

7 Photobipolartransistor Aufbau und Ersatzschaltbild Kennlinienfeld bei offener Basis In Sperrrichtung gepolte, großflächig ausgeführte Kollektor-Basisdiode wird bestrahlt. Die optisch generierten Ladungsträger bewirken einen zusätzlichen Sperrstrom (Elektronen zum Kollektor, Löcher über Basis zum Emitter), der den Emitterstrom erhöht.

8 Verstärkung des Phototransistors Ersatzschaltbild: Photodiode mit Quellstrom I CB,ph parallel zum Kollektor- Basisübergang, über den der Dunkelstrom fließt: I CB,s = Reststrom I CB,0 bei üblicherweise fehlendem Basisanschluss I (I I ) B (I I ) C CB,ph CB,0 CB,ph CB,0 I (B 1)I C ph U U R I CE 0 L C B Stromverstärkung in Emitterschaltung Da B eine Funktion von I C und damit auch eine von I ph ist, ist der Phototransistor kein linearer Empfänger. Steuergröße ist hier die Beleuchtungsstärke. Phototransistor besitzt eine wesentlich größere Stromempfindlichkeit als die Photodiode wegen der Verstärkung B >> 1

9 Dynamische Eigenschaften des Phototransistors Ersatzschaltung des Phototransistors. Kurzschluss am Ausgang (R L =0): Grenzfrequenz der Emitterstromverstärkung maßgebend (< 500 khz) R L 0: Miller-Effekt: Kollektor-Basiskapazität ist B-fach wirksam und erhöht die Schaltzeit auf: t B 2 r, f 4, ft C CB wird über R L umgeladen, dies um so langsamer je größer der Lastwiderstand und die spannungsabhängige Kollektor-Basiskapazität ( Fläche) sind. f T stromabhängige Transitfrequenz mit B(f T (I))=1. Grenzfrequenz: einige 10 khz Einsatz in Optokopplern, Photoschaltverstärkern, Beleuchtungsmonitoren B 2 C 2 CB R 2 L

10 Grundschaltungen mit Phototransistoren Photodarlington-Transistor: Erhöhung der Verstärkung auf bis zu 1000 und damit der Empfindlichkeit I C B 1 B 2 I ph Höhere Grenzfreq.: Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung T 2 Temperaturkompensation U A = U 0 B(I)R L I ph U A = B(I)R L I ph Impedanzwandler Differenzschaltung mit U BE const U A nicht proport. r e =r BE / <<r a =R L r CE abgedecktem Phototrans.

11 Sperrschicht-Photofeldeffekttransistor Prinzip und Grundschaltung Steuerkennlinie Photodioden, -leiterbetrieb UGS UG UGS UG RG Iph ID S UGS S RG I S FET-Steilheit abhängig ph vom Photostrom! I I D ph s S RG s - Stromempfindlichkeit E E Im n-kanal-sperrschicht- FET Gate-Kanaldiode als Photodiode ausgebildet; sie wird in Sperrichtung betrieben. Durch Bestrahlung Erniedrigung der Sperrspannung Kanal führt mehr Strom Wegen des großen FET- Eingangswiderstandes kann R G sehr groß (10 8 ) gewählt werden. Rauscharme Messung sehr kleiner Photoströme möglich.

12 Ersatzschaltbild des Sperrschicht-Photo-FET und Sourcefolger Drainschaltung (Sourcefolger) zur linearen Detektion G S +U 0 D Bei großer Steilheit S = I D / U GS und nicht zu kleinen Sourcewiderstand R S Spannungsverstärkung nahezu gleich 1 Kleiner Ausgangswiderstand! U A R G I ph R G R S Photogenerierte Elektronen fließen in Richtung Drain, Löcher über Gate und R G. Photo-FET kann auch als Photodiode oder als Photoleiter betrieben werden Photoleitung im Kanal bestimmt die (größere) Empfindlichkeit.

13 Photo-MOSFET n-kanal MOSFET vom Anreicherungstyp besteht aus MOS-Kondensator (zwischen Gate und Bulk) und zwei p-n Übergängen, von denen keiner in Flussrichtung betrieben wird. Stromfluss zwischen Source und Drain nur, wenn sich durch eine positive Spannung U GS von Gate gegen Source ein Inversionskanal - hier bestehend aus Elektronen - unter dem Gateoxid bildet. Bei Einstrahlung wird der Inversionskanal durch die generierten Photoelektronen leitfähiger und breiter und damit die Potentialbarrieren an den p-n-übergängen abgesenkt. Durch Einbau tiefer Störstellen, die bei Z.T. nicht ionisiert sind, kann ein MOSFET mit Empfindlichkeit im IR erhalten werden. Geeignete IR-Bestrahlung ionisiert solche Störstellen und ändert die Nettoladungsdichte der Verarmungszone und so den Kanalstrom.

14 Photothyristor Aufbau Ersatzschaltung mit 2 Transistoren Leistungsthyristoren mit etwa 10 mw Strahlungsleistung (aus LED zündbar. Kennlinie und Zündung Photothyristor rückwärts sperrende Tetrode, die im Vorwärtsblockierzustand durch Einstrahlung gezündet wird 1-ter n-p Übergang und letzter n-p Übergang in Durchlassrichtung, mittlerer p- n Übergang in Sperrrichtung bei positiver Polung von Anode gegen Kathode Durch Einstrahlung wird die Potentialbarriere der mittleren p-n Diode (Kollektorsperrschicht) abgesenkt und es steigt der Sperrstrom lawinenartig an. Er ist zu begrenzen! Zündspannung U BF (U AK für Durchbruch) sinkt mit wachsender Beleuchtungsstärke. Lichtzündung auch bei U AK < U BF, wenn Kathode-Gatediode in Durchlassrichung vorgespannt wird. Der Photothyristor erlischt, wenn I unter den Haltestrom I H sinkt.

15 Photon-Drag-Detektor Photonen großer Flussdichte übertragen Impuls auf freie Ladungsträger eines Halbleiters. Verschiebung der freien Ladungsträger in Richtung des Poynting-Vektors Entstehung eines longitudinalenelektrischen Feldes Zeitkonstante i.w. nur durch die Strahlungslaufzeit begrenzt Versorgungsspannung nicht erforderlich Spannungsempfindlichkeit gering, etwa bei 10-6 V/W bei Fläche von 0,1 cm 2 Materialien: p-ge, GaAs Zum Nachweis sehr kurzer, intensiver Laserimpulse