Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 89
Текст из файла (страница 89)
На рис.~··приведены зависимости коэффициентов поглощения16.2Ge, Si и~GaAs от дл~ны волны. Для Ge, Si и полупроводниковых соеди. пенийтипа лшвv при увеличении температуры кривые сдвигаi.Ются в область больших длин волн. В УФ и видимой областях'·спектра хорошую квантовую эффективность имеют фотодиоды.с контактом металл-полупроводник. Кремниевые диоды обла.,n;ают высокой квантовой эффективностью в области0,8 ...
0,9 мкм, германиевые - на Л - 1 ... 1,6 мкм.Инерционность фотодиодовдлин волн(время фотоотклика) определяетсявременем диффузии носителей в обедненной области, временемдрейфа через обедненную область и емкостью обедненной области. Для уменьшения времени диффузии электрический переход~ормируют вблизи поверхности. Размер обедненной области пе'рехода должен быть порядка 1/а, чтобы основная доля фотонов; поглощаласьв ней. Однако обедненная область перехода не,до.Лжна быть.и слишком широкой, иначе время пролета носите•'лей через нее будет велико, а это ухудшает время фотоответа.В узких переходах велика емкость и инерционность растет за.•.счет большой постоянной временисопротивление на-RC (R -грузки). Оптимальна.я ширина (толщина) обедненного слоя ре. ализуется,если время переноса носителей по порядку величи~ :в:ы соответствует половине периода модуляции излучения, что~при частоте модуляцииf - 10 ГГц составляет величину - 5 мкм.~~р-i-n-фотодиоды.
На рис. 16.14 предстэ,влены разновиднос1ти устройствар-i-n-фотодиодов с освещением перпендикуляр. но переходу (рис. 16.14, а) и освещением параллельно переходу(рис. 16.14, б). Здесь 1 просветляющее покрытие, позволяющее увеличивать квантовую эффективность; 2 металлическиеконтакты;3 1слой окиси кремнияhv23r;--hv=::п+отражающее по-Si02 ; 4 24\/р+ipfп+\22б)а)Рис.16.14pfpfpfРаздел4724.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИкрытие). На практике вр-i-п-фотодиодах вместо области с собственной проводимостью (i-области) используется высокоомныйслой п-типа (v-область) или высокоомный слойр-типа (7t-область)(см.
п.5.4).К электродамр-i-п-фотодиодов прикладывается обратное смещение.Рассмотрим принцип действия фотодиода. При этом сначалабудем полагать, что внещнее напряжение отсутствует и цепь разомкнута. Оптическое излучение, проникая с малыми потерями через прозрачное покрытие и р+-область, достигает i-базы, в которой в основном и поглощается (рис.16.15).При этом происходитионизация или собственных, или примесных атомов. Интенсивность проявления примесного поглощения существенно меньruесобственного из-за малого количества примесных атомов по отношению к атомам собственного полупроводника, поэтому в фотодиодах в основном используется собственная фотопроводимость.Образующиеся в i-базе электронно-дырочные пары за счетдиффузии или дрейфа, если в базе есть электрическое поле, а чаще всего за счет того и другого начинают перемещаться. Дыркидвигаются в направлениир+-области, а электроны(рис.16.15, б).-п+-области3а счет поля р+-i-перехода осуществляется разделение фотоносителей.
Поскольку мы предположили, что цепьразомкнута, то в р+-области происходит накопление дырок, а вп+-области-электронов. В результате потенциальный барьерна переходе р+ - i понижается, т. е. на контактах прибора появляется некоторая ЭДС. Это явление называется фотовольтаическим эффектом. (Оно будет более подробно рассмотрено при описании процессов в солнечных преобразователях, п.16.6.)Если теперь замкнуть цепь, приложив к диоду обратное смещение, то объемный заряд может занять всю i-область (см.
энергетическую диаграмму на рис.16.15,б) и во внешней цепи потечет ток JФ, который будет складываться с обратным током Iт(темновым током) неосвещенного р-i-п-диода. Таким образом, IФ+ Iт::::: IФ.Увеличение мощности оптического излучениябудет приводить и к возрастанию числа генерированных электронно-дырочных пар, а следовательно, и к увеличению фототока IФ, что хорошо видно из ВАХр-i-п-фотодиода (рис.16.16).Большинство основных параметров р-i-п-фотодиода былоперечислено при рассмотрении фоторезисторов, а именно: монохроматическая чувствительность, время нарастания (спада),граничная частота, обнаружительная способность, темновой ток,Глава16.Оптоэлектронные приборы473I,мА,,13020-IT201015 1055.J.Jр~зл~Р'"изл~р~зл < р~зл < р~~б)Рис.р~злиФд' вРис.16.1516.16:·площадь фоточувствительной площадки.
Дополнительно у фо': тодиодов1.рассматриваются следующие параметры: максималь-но допустимое обратное напряжение Иобр. "'акс.> характеризую(, щее.предельные возможности фотодиода при включении вэлектрическую цепь; емкость фотодиода СФд' которая равнасумме емкости корпуса и активной структуры. Во многих случаях именно СФд определяет инерционность диода.·'1На рис. 16.1 7 представлена спектральная зависимость чувствит.ельности кремниевых р-i-п-фотодиодов для различных значений толщины базы. Общий вид характеристики аналогичен спект•· ральной характеристике материала, из которого выполнен прибор.i: Уменьшение чувствительности SФ для более тонкой базы связанос уменьшением поглощения фотонов в базе и изменением условий, собирания генерированных носи: телей.
Уменьшение SФ в области!i: чтокоэффициент поглощения а!'очень великиизлучениепогло-i· щается в поверхностном слое (об! ласть р+), не проникая глубоко вiбазу.l этомВремена рекомбинациивповерхностном слое малы.j Вследствие этого фотоносители[ рекомбинируют раньше, чем ухо!к дят из поверхностного слоя.[f.,~·!sФ.' А/Вткоротких волн обусловлено тем,0,80,6о,40 2•'--~-~~~~-~___,.,._____.о 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Л, мкмРис.16.17Раздел4744.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИБыстродействие рассматриваемых фотодиодов ограничиваетсявременем пролета носителей через обедненный i-слой. Для увеличения быстродействия необходимо толщину i-слоя делать какможно меньше.
Однако в этом случае возможно существенноеснижение и квантовой эффективности. Как показывают расчетыи эксперимент, разумный компромисс между быстродействием иквантовой эффективностью достигается в том случае, если размеробласти поглощения изменяется от 1/а до 2/а. Зависимос~ь квантовой эффекти:вности 11 кремние:вого р-i-п-фотодиода от ширины обедненной области для различных длин волн приведена нарис.16.18.Изменение ширины обедненной области при увеличении обратного напряжения для различного удельного сопротивления i-области демонстрирует рис.16.19.
Если вся база диода представляет собой область пространственного заряда, то время пролета определяется только дрейфом носителей и в большинствеслучаев очень мало. Так, например, при И06 Р= 10 В и удельном со-противлении базы р = 3 • 103 Ом· см ширина обедненной области-100 мкм (см. рис. 16.19) и при v06P = vдр.нас ""' 10 7 см/с вр,емяпролета tпр через область базы будет порядка1 нс.Напряжение,при котором наступает условие обеднения всей базовой области,называется напряжением отсечки.
Приняв минимальную реальную толщину базыW ""' 1 мкм,для предельного быстродействияр-i-п-фотодиодов получим tпр""'10."20 пс, при этом значенияграничной частоты fгр""' 0,35/tпр ""' 18".35 ГГц. Для реальных диодов типичные значения fгр лежат в пределах 200 ... 500 МГц. Параметры IT, сфд и иобр.максР-i-п-диодов и обычных фотодиодовпрактически совпадают.гл.22),Т}.Шумы р-i-п-фотодиодов малы (см.но их чувствительность невелика.%6010340р =20оРис.16.18246Рис.3 · 10 2 Ом·в16.1910смиобр• вГлава16.475Оптоэлектронные приборы, , Лавинные фотодиоды (ЛФД).
·[ ЛФД работают при обратных~смещениях, достаточных для[ размножения носителей. По~.·сравнению с р-i-п-фотоди-i(it). одами они обладают внутрен' ним усилением, что являетсяр+преимуществомслабых1!Меютность,. оды,присигналов,лучшуючем5приемет. е.ониРис.чувствитель,;;1р-i-п-фотоди-мкм2 ... 5мкма это и обусловливает ихширокоеприменение.изготавливаются"Ge, Si,16.20насоединенийЛФД20 ...
70мкмосновегруппыi(7t)рлшвv и других полупроводников. Определяющими пара' :метрами при выборе материала: фотодиода являются квантоваяэффективностьва)Nзаданном спектральном диапазоне,быстродействие и шумы. Гер-•. маниевые ЛФД обеспечивают, 13ысокую квантовую эффектив, ность в спектральном диапа зоне 1 ... 1,6 мкм, а кремниевые особенно эффективны'· на длинах волн 0,6 ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
