Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 9

Коэффициент усиления и чувствительность Z и SФ возрастают ~ VR/l2, но при высоких напряженностях поля вполупроводнике образуется пространственный заряд, и когда он захватываетвсю область между контактами, тогда tпр=τм – времени диэлектрической релаксации, не зависящему от приложенного напряжения.Предельное теоретическое значение коэффициента усиления Zmax=τn/τм длявысокоомных полупроводников достигает 106–107. В низкоомных полупроводниках с ростом напряжения уменьшается µn и происходит ограничение скорости носителей заряда, приводящее к насыщению коэффициента усиления Zmax=τn*Vmax/l.С ростом величины приложенного напряжения VR и мощности падающегоизлучения Pизл происходит разогрев фоторезистора и увеличение шумов, тогдаRT уменьшается, Rсв - увеличивается. Максимальная рабочая температура связана с шириной запрещенной зоны применяемого полупроводника и длинойволны оптического излучения следующими соотношениями: Tmax = C1*Eg =C2*λ, где Eg измеряется в эВ; λ - в мкм.

C1 – 400-800 К/эВ для примесного исобственного поглощения в полупроводниках; C2 – 500-1000 К/мкм.Инерционность фоторезистора, определяемая значениями постоянной времени релаксации полупроводника, τрел = С3*τn, где обычно С3 = 1, зависит от степени возбуждения и типа фотопроводника.36Добротность фоторезистора характеризуется произведением коэффициентаусиления на полосу частот, - Q = Z/τрел = µn*VR/l2.Основными материалами, используемыми для изготовления фоторезисторов,являются полупроводниковые соединения: CdS, CdSe, PbS, получаемые по толстопленочной и тонкопленочной технологии, а также - Si, Ge, GaAs, используемые в полупроводниковой технологии.

Фоторезисторы на основе соединения CdSe характеризуются следующими значениями параметров: RT∼106 Ом,λmax ∼ 0,7 мкм, Vраб ∼ 20 В, SI ≈ 600 мА/лм (Е ≈ 200 лк). Для фоторезисторов наоснове PbS - RT/Rсв ≈ 105-106, τ ∼ 0,1мс. Для фоторезисторов на основе GaAsинерционность приборов значительно ниже τ∼10-12с - для мощного лазерногоизлучения, τ∼10-9с для обычной засветки. На основе твердых растворов А3В5могут быть изготовлены сверхрешетки, для которых Z >104, VR< 1 B.Достоинствами фоторезисторов являются линейность вольтамперной характеристики, отсутствие выпрямления и внутренней ЭДС, основным недостатком– невысокое быстродействие.ФотодиодыФотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n переходом.При освещении р-n перехода в нем возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем (фотовентильный режим).

Если фотодиод включен на бесконечно большую нагрузку, то в нем реализуется фотовольтаический эффект. В р-n переходе возникает фотоЭДС в результате накопления зарядов – VФ. Если внешняя цепь замкнута, то в ней при освещении фотодиода протекает фототок JФ. Направление тока совпадает с направлением обратного тока перехода. VФ – смещает p-n переход в прямом направлении, снижая величину потенциального барьера.Вольт-амперная характеристика фотодиода описывается выражением: J =Jo(exp (eV/kT)–1) – JФ.

Если J = 0, V = VФ = kT*ln(JФ/Jo+1), таким образом - VФ напряжение холостого хода, нелинейно зависит от Ф.pnLndp-nLpРис. 14. Энергетическая диаграмма p-n перехода.Если сопротивление внешней цепи бесконечно мало - VФ = 0, в ней протекаетток J = JФ - ток короткого замыкания. Если весь свет поглощается вблизи p-nперехода, JФ = e*η*Ф/hν. Если часть света поглощается за его пределами, то37вместо квантового выхода η подставляется величина ηo = η*KC, где KC - коэффициент собирания фотоэлектронов и дырок (<1).Время пролета электронами и дырками области поля в p-n переходе определяется скоростью дрейфа и составляет ∼ 10-10с.

Однако значительная часть излучения поглощается за пределами области пространственного заряда, фотогенерированные носители попадают в ОПЗ вследствие диффузии. Диффузионнаядлина неосновных носителей заряда в кремнии Ln,p составляет ∼ 5*10-3 см, чтоограничивает время диффузионного переноса - τ∼10–6-10–7с.Область спектральной чувствительности определяется зависимостью коэффициента поглощения от длины волны оптического излучения α(λ). Длинноволновая граница λmax определяется шириной запрещенной зоны используемогополупроводника и составляет 1,1 мкм для кремния и 1,7 мкм для германия, длябольших длин волн поглощение резко уменьшается.

Коротковолновая границаλmin определяется резким увеличением коэффициента поглощения >105 см–1,тогда поглощение происходит очень близко к поверхности, где велика скоростьрекомбинации (λmin∼ 0,3 мкм для Si и Ge).Частотные характеристики фотодиодов определяются тремя факторами:диффузией, дрейфом и емкостью ОПЗ. Для уменьшения длительности диффузионных процессов переход располагают близко к поверхности. В фотодиодах сp-n переходом основное поглощение излучения происходит не в ОПЗ, а в p- илиn-области. Так как, обычно, Dn>Dp, в качестве внешней используют p-область.Для уменьшения длительности процессов перезарядки емкости ОПЗ уменьшают емкость р-n перехода, оптимизируя его толщину, dопт∼ 5 мкм.

Фотодиодне обладает внутренним усилением (Z = 1).Для снижения потерь на отражение света от поверхности используют просветляющее покрытие, обычно пленки ZnS (n = 2,3).Достоинства фотодиодов:1. Простая технология, однородность параметров изготавливаемых структур(что особенно важно для многоэлементных приемников).2. Малое сопротивление базы обеспечивает высокие значения фотоЭДС (дляSi до 0,7- 0,8 В).3.

Совместимость технологии с технологией ИС, что дает возможность изготавливать интегральные фотоприемники.P-i-n фотодиодыP-i-n фотодиоды представляют собой наиболее типичные фотоприемники наоснове р-n переходов с большим обедненным слоем. Структура этих диодоввключает n+-основу, достаточно широкую слаболегированную i-область и тонкую p+-область. Оптимальное сочетание высокой чувствительности и быстродействия в них обуславливается малым влиянием процессов диффузии носителей.Изготовление структур производится с использованием планарно-эпитаксиальной технологии.

В качестве базовой подложки используется высокоомный38p+рiФin+90o ФоnW ≈ 1/αаб +Рис. 15. Энергетическая диаграмма p-i-n фотодиода при освещении под обратным смещением (а) и относительные размеры p-i-n областей структуры (б).слаболегированный кремний р-типа проводимости (π-Si, ρ>104 Ом*см) толщиной 200 мкм. На ней с помощью эпитаксии выращивается пленка n+-Si сρ<0,01 Ом*см толщиной 30-70 мкм. Затем производится подшлифовка пластины со стороны высокоомной области до ее толщины 30-70 мкм. (Прямая эпитаксия слаболегированного кремния ρ>100-1000 Ом*см на низкоомной подложке затруднительна, так как процесс должен протекать очень долго, при этомобразуется повышенная плотность дефектов.) На высокоомной стороне пластины диффузией формируется низкоомный p+-слой толщиной 0,2-0,3 мкм.p+iSiO2охранноекольцоn+Рис. 16.

Структура p-i-n фотодиода.К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся следующие.1. Высокая фоточувствительность (для λ ≈ 0,9 мкм SJmax ≈ 0,7 А/Вт) и высокоебыстродействие (10 –9–10 –10 с).2. Высокая фоточувствительность в длинноволновой части спектра (обусловлена широкой i-областью).3. Малая барьерная емкость.4. Высокая эффективность при малых обратных напряжениях.К недостаткам p-i-n фотодиодов относятся.1. Малая фотоЭДС (≤ 0,35-0,45 В).2. Повышенные токи утечки.3.

Невысокая воспроизводимость.4. P-i-n диоды не совместимы с ИС.39Фотодиоды с барьером ШотткиФотоприемники с поверхностным барьером Шоттки также обладают высоким быстродействием и эффективностью. Барьеры на контакте металла с полупроводником могут быть получены и на полупроводниковых материалах, вкоторых невозможно создать р-n переходы. Если электронный полупроводникконтактирует с металлом, у которого работа выхода меньше работы выхода полупроводника, то определенное число электронов переходит из полупроводника в металл. Ионизированная донорная примесь в полупроводнике образуетслой положительного пространственного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в обратном направлении ширина ОПЗ увеличивается в соответствии с формулойdОПЗ = [ 2εε0 (ϕ K + V)/ eND]1/2,где φК – контактная разность потенциалов.

Если ND = 1017 см –3; V ≈ 1-5 B;то d ≈ (1-10)*10 –5 см.Тонкий слой металла толщиной 0,01 мкм наносится на полупроводник вакуумным напылением. Для уменьшения потерь излучения, вызываемых отражением света от поверхности металла, на него наносят просветляющее покрытие(обычно пленка ZnS).Излучение направляют сквозь полупрозрачную пленку металла (слой Auпропускает 95% потока излучения с λ = 0,63 мкм). Если d >х*, основная частьизлучения поглощается в ОПЗ.