Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 10

Возникающие электронно-дырочные пары быстро разделяются полем и время пролета носителей может быть очень малым(10-11-10-10 с). Таким образом, фотодиод с барьером Шоттки является аналогомp-i-n фотодиода в коротковолновой части спектра, когда все излучение поглощается в ОПЗ.

В этих фотодиодах с уменьшением длины волны излучение также поглощается в слое пространственного заряда, но ближе к металлу. Поэтомукоротковолновая граница спектральной области смещается в сторону меньшихзначений и они могут использоваться как эффективные приемники ультрафиолетового излучения. Длинноволновая граница определяется величиной потенциального барьера контакта металл-полупроводник и расположена дальше, таккак высота барьера всегда меньше ширины запрещенной зоны. Таким образом,спектральная область фотодиодов с барьером Шоттки значительно шире в обестороны, чем у p-n переходов.ZnSSinn+металлохранноекольцоРис. 17.

Структура фотодиода с барьером Шоттки.40По сравнению с p-n переходами сопротивление диодов Шоттки намногоменьше, поэтому время перезарядки мало и инерционность обусловлена тольковременем пролета носителей через область пространственного заряда.

Величина τ может быть порядка 10-10-10-11 с, что позволяет использовать фотодиодыпри СВЧ модуляции излучения. Чувствительность диодов достигает 0,5 А/Вт.Достоинства фотодиодов с барьером Шоттки.1. Простота изготовления и разнообразие полупроводников (даже те, на которых не удается создать p-n переход: Si, Ge, A3B5, A2B6).2.

Высокая чувствительность и быстродействие.3. Совместимость с технологией ИС.ГетерофотодиодыГетерофотодиоды являются перспективными фотоприемниками, сочетающими высокую чувствительность и быстродействие. Для изготовления фотодиодов используют гетероструктуры на основе соединений А3В5.

Типичнаяструктура гетерофотодиода показана на рис. 18. В ней создаются две области:широкозонное окно и фоточувствительный р-n переход. Окно из широкозонного сильнолегированного полупроводника обеспечивает малое сопротивление ивысокую прозрачность для принимаемого излучения, которое поглощается вслое узкозонного полупроводника, толщина р-слоя обычно соответствует длинепоглощения излучения.↓↓↓↓↓ Ф+р -AlGaAsp-GaAs∼ W ∼ 1/α+n -GaAsРис.

18. Расположение слоев в гетерофотодиоде.Процессы поглощения излучения и разделения фотоносителей в гетерофотодиодах аналогичны явлениям, происходящим в p-i-n фотодиодах и фотодиодахс барьером Шоттки. Их инерционность также определяется временем пролетаносителей через область пространственного заряда.Для приема излучения с длиной волны λ = 0,85 мкм используются p-n переходы на основе GaAs или GaAsP, для λ = 1,3-1,55 мкм – InGaAs и InGaAsP.Достоинства гетерофотодиодов:1. Высокое быстродействие (∼ 10-10 с) и фоточувствительность при малых рабочих напряжениях.2. Высокие значения фотоЭДС (для GaAs – Vxx = 0,8-1,1В).3.

Высокий КПД, близкий к 100%.4. Меньшие, чем у обычных фотодиодов, темновые токи и шумы.5. Большой температурный диапазон и радиационная стойкость.6. Технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики.В то же время используемые материалы являются более дорогими и технология изготовления более сложная.41МДП–фотодиодыВ них для приема излучения используется фоточувствительная МДПструктура в режиме обеднения поверхности полупроводника.

В области пространственного заряда вблизи поверхности происходит фотогенерация и разделение носителей. Вследствие этого происходит модуляция проводимости, возникает наведенная фотоЭДС (для МДП-ИС внутреннее сопротивление оченьвелико). Для регистрации излучения может использоваться также фотоемкостный эффект. В МДПДМ-фотоприемниках необходимо применять динамический режим работы. Достоинствами МДП-фотодиодов являются функциональная и конструкционно-технологическая гибкость, малые шумы и темновые токи, совместимость с МДП-ИС. В то же время технология изготовления такихприемников сложнее (высокие требования к качеству границы раздела полупроводник-диэлектрик и свойствам диэлектрика).Лавинные фотодиодыВ лавинных фотодиодах происходит усиление первичного фототока вследствие лавинного умножения неравновесных носителей в сильном электрическомполе слоя пространственного заряда р-n перехода при условии, что ширинаОПЗ превышает длину свободного пробега носителей заряда.

Процесс умножения происходит следующим образом. При увеличении обратного напряженияна р-n переходе до определенной величины Vп носители заряда в сильном электрическом поле (Е∼104–105 В/см) начинают набирать достаточную скорость дляионизации атомов с образованием пары электрон-дырка. Образовавшиеся носители сами принимают участие в дальнейшей ионизации. Процесс нарастанияконцентрации носителей, а следовательно и тока, носит лавинный характер.Скорость нарастания тока зависит от коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок.Коэффициент умножения носителей M = J/Jo = n/no, где no - число электронов,вошедших в область сильного поля, n – число электронов, вышедших из этойзоны.

Величина M отражает общее число ионизаций, совершенных как первичными, так и вторичными электронами. N = (n - no)/n - выход процесса ионизации (число ионизаций, приходящихся на один электрон, прошедший областьполя), связан с коэффициентом умножения соотношением M = 1/(1-N). Выходионизации зависит от коэффициентов ударной ионизации (числа пар, созданных носителем на 1 см пути) для электронов (αi) и дырок (βi), а также от ширины области поля (d). Если αi = βi и электрическое поле однородное – N = αi*d,dдля неоднородного поля N = ∫0 α i ⋅ dx .

N изменяется от 0 для слабых полей до 1для Vп, когда ток резко возрастает и M →∞. Значение коэффициента умножения M определяет величину коэффициента внутреннего усиления фотодиода (Zдо 103). Инерционность процесса лавинного умножения очень мала <10 –9 с.Аналогичным образом происходит и умножение носителей заряда, возникающих при освещении фотодиода. Коэффициент умножения М = J/Jp опреде-42ляется отношением полного тока на выходе к начальному току, состоящему изфототока и темнового тока (Jp = JФ+JS). Выходной ток также состоит из умноженного фототока и умноженного темнового тока J = JФУ+JSУ.

Следовательно,M = (JФУ+JSУ)/(JФ+JS). Обычно коэффициент умножения определяется по эмпирической формуле M = [1-(V/Vп)С]-1, где с = 2-6 - постоянный коэффициент длякаждого полупроводникового материала.lg JФ2>Ф1Ф2Ф1Ф=0разогревVРис. 19. Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода без освещения (Ф = 0) и при разных уровнях освещения (Ф2 > Ф1).Очевидно, что большие значения коэффициента умножения и фоточувствительности могут быть получены только при малом темновом токе.

Vрабблизко к Vп, поэтому лавинные фотодиоды имеют «внутреннее» усиление, которое не сопровождается снижением быстродействия.Высокое усиление и быстродействие фотоприемников можно получить, еслиp-i-n фотодиоды подключить к электронной схеме с любым большим коэффициентом усиления, но шумы входных каскадов усилителей обычно на несколько порядков больше шумов качественного p-i-n фотодиода (у которого шумымалы, а квантовая эффективность велика), поэтому реализовать все потенциальные возможности p-i-n фотодиода не удается вследствие низкого порогачувствительности). Введение внутреннего усиления, воздействующего и насигнал и на шум, приводит к возрастанию отношения сигнал/шум при условии,что усиленный шум фотоприемника меньше шумов входного каскада усилителя, поэтому лавинные фотодиоды имеют преимущества перед p-i-n фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов.Оптимальной структурой кремниевых лавинных фотодиодов является n-p-i-pструктура, или ЛФД с проникновением (проколом):ln lplin++pip+↑ EmaxРис.

20. Простая геометрическая модель лавинного фотодиода.43В этом случае максимальное значение напряженности электрического поляEmax, достаточное для возникновения и поддержания лавинного размножения,создается в n+-p переходе. Фотоносители быстро вытягиваются из i-области иразмножаются в р-области.Изготовление лавинных фотодиодов производится с использованием обратной эпитаксии, аналогично технологии изготовления p-i-n фотодиодов. Необходимо точно задать распределение примесей, n+-область должна иметь малоеудельное сопротивление, тогда ОПЗ имеет малый размер в n+-области и пространственный заряд распределяется почти полностью в р- и i-областях.Фохранноекольцоip+n+рSi повышеннойоднородностиРис.

21. Структура лавинного фотодиода.Типичные значения: Ф = 20-300 мкм, li = 20-70 мкм, lp = 2-5 мкм, ln/lp = 0,1-0,3.Концентрация примесей в i-области: NA = (0,2÷1)*10 13 см –3, Emax = (3-5)*10 5В/см, Ei = 103-104 В/см, δDA/DA≤ 3%. Рабочее напряжение должно быть достаточным для того, чтобы ОПЗ распространялось на всю р- и i-область.Лавинные фотодиоды изготавливаются с середины 60-х годов на основе германия, затем на основе кремния, и с конца 70-х на А3В5.Особенности лавинных фотодиодов.1.

Сложность, уникальность изготовления, высокая стоимость.2. Высокое рабочее напряжение, расход мощности, следовательно, они не совместимы с ИМС.3. Необходимость стабилизации рабочего напряжения и температуры.4. Отсутствие конструкций матричного типа.Основные достоинства лавинных фотодиодов: большое усиление, высокоебыстродействие и малые шумы. Поэтому эти фотоприемники широко используются в ВОЛС. К недостаткам лавинных фотодиодов следует отнести, вопервых, зависимость коэффициента умножения от интенсивности света и соответствующее нарушение линейности зависимости I(Ф), во-вторых, высокиетребования к стабильности питающего напряжения (0,01-0,02%), поскольку коэффициент умножения сильно зависит от напряжения.ФототранзисторыФототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее уси-44ление сигнала.

Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора.Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором– часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так какфотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, тофототок суммируется с коллекторным током.

Напряжение питания подводяттак, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. Базаможет быть отключенной.При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так жекак и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся вколлектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера.