Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фотодиоды: действие и назначение

Фотодиоды. Принцип действия. Характеристики, параметры

Фотодиоды представляют собой р-п переход, работа которого описывается соотношением

где - плотность фототоков и обратного тока p-n перехода соответственно, обусловленная неосновными носителями тока в полупроводнике;

- плотность обратного тока насыщения;

?Е - ширина запрещенной зоны полупроводника;

e - заряд электрона;

ц - разность потенциалов на p-n переходе.

Режим работы фотодиода зависит от смещения и нагрузки. В первом случае различают вольтаический (фотовентильный) при нулевом и фотодиодный при обратном смещениях режимы работы.

Во втором - возможны линейный (R_H много меньше дифференциального сопротивления фотодиода) и логарифмический (R_H~10¹¹ Ом) режимы.

В фотодиодном режиме наблюдаются более высокое быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон. Недостатком этого режима является темновой ток, значение которого изменяется при колебаниях температуры. При этом может наблюдаться и избыточный шум, исчезающий при нулевом смещении.

Световая характеристика фотодиода строго линейна в широком диапазоне освещенностей вплоть до высоких уровней возбуждения порядка 10¹⁸ - квант.

Основной недостаток фотодиода - малый коэффициент усиления. Быстродействие фотодиода определяется процессами, связанными с разделением пары электрон - дырка, возникшей при поглощении излучения полем p-n перехода.

Для эффективной работы фотодиода необходимо, чтобы основная часть фотонов поглощалась в обедненном слое. Глубина проникновения фотона в полупроводник тем больше, чем больше длина волны. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо иметь тонкий p - слой и толстый обедненный слой для получения фототока от длинноволновых фотонов. Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника и обратного смещения.

В реальных конструкциях для минимизации последовательного сопротивления при сохранении максимальной ширины обедненной области одна область легируется значительно сильнее другой. Тогда обедненный слой формируется практически на менее легированной стороне перехода. В результатe создается асимметричный резкий переход. В структурах на основе GaAs и его трехкомпонентных сплавах p - область делается тоньше и легируется сильнее, чем n-область, так что устройство формируется в основном в материале n типа, а p - слой является фактически контактным слоем.

Для такого асимметричного перехода полная плотность тока

где б - коэффициент оптического межзонного поглощения;

W - ширина обедненного слоя;

Lp - длина диффузии дырок;

P_n0 - равновесная концентрация дырок;

D - коэффициент диффузии дырок.

Первое слагаемое соответствует фототоку с квантовой эффективностью (число носителей, генерируемых одним фотоном)

Второе слагаемое представляет собой обратный ток утечки (темновой ток) в результате термической генерации дырок в n - области.

В оптоэлектронике особенно распространены кремниевые фотодиоды. Их характеристики приведены в табл.

оптоэлектроника фотодиод физический

Разновидности фотодиодов. Конструкции

Основные типы фотодиодов:

- p-n фотодиоды,

- p-i-n. структуры,

- приборы с барьером Шоттки,

- гетерофотодиоды.

Кремниевые p-i-n фотодиоды все активнее вытесняют приборы с p-n переходом. P-i-n структура обычна создается на пластине высокоомного кремния (с = 2…10 КОм*см) эпитаксиальным выращиванием низкоомного n⁺ слоя (с= 0,002 Ом*см) толщиной 40…50 мкм и в результате формируется i - область. Затем на этой стороне эпитаксиально наращивают тонкий (2…4 мкм) p слой. Возможно также изготовление «верхнего» p слоя методом ионной имплантации или методом диффузии.

Около 90% поглощенной кристаллом мощности приходится на долю i-области. Даже при небольших обратных смещениях в последней возникает сильное электрическое поле, поэтому генерируемые светом электроны и дырки быстро рассасываются. Это обеспечивает малые рекомбинационные потери и высокое быстродействие. Дрейфовый перенос зарядов является более эффективным по сравнению с диффузионным (характерным для р-n перехода), что четко проявляется при сравнении времени пролета носителей через базу:

Таким образом, уже начиная с Uобр> (0,05…0,2) В p-i-n диоды имеют преимущество. Кроме того, из соотношения (1.7) следует, что при значениях толщины базы I0…20 мкм и U_обр=5-10 В инерционность фотоприемника может быть не менее 10^-3…10^-10 с.

В целом p-i-n - диоды имеют следующие основные преимущества:

сочетание высокой фоточувствительности (например, на длине волны л= 0,9 мкм, S₀ = 0,7 А / Вт) и высокого быстродействия;

обеспечение высоких значений S₀ в длинноволновой области спектра, обусловленное возможностью использования широкой i - области;

малую барьерную емкость;

высокую эффективность при малых обратных напряжениях, что обеспечивает электрическую совместимость с ИМС.

Фотодиодам с p-i-n - структурой присущи недостатки. Из-за высокой чистоты материала базовой области имеет место малая высота потенциального барьера. Поэтому фото-ЭДС в вентильном режиме не может быть более U_xx= 0,35…О, 45 В, появляются повышенные токи утечки при высоких температурах и ослабляется стойкость к радиационным воздействиям.

Контакт металл - полупроводник (барьер Шоттки) по физике процессоров близок к p-i-n. структуре. Известно, что при контактировании металлов с полупроводниками в приконтактной области последних возникает область объемного заряда, обедненная подвижными носителями. Приложенное внешнее напряжение практически полностью приходится на эту область, напряженность электрического поля в ней оказывается весьма значительной. Генерируемые электроны и дырки быстро вытягиваются этим полем, обеспечивая протекание фототока во внешней цепи.

Структура типичного кремниевого фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 1.20. На подложке сильнолегированного кремния

выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного кремния. Затем методом диффузии в пленке создается «охранное» кольцо Р типа для устранения краевых эффектов, снижения токов утечки и повышения пробивного напряжения. Внутри кольца напыляется тонкая (0,01 мкм) полупрозрачная золотая пленка, а поверх нее - антиотражающее покрытие из сернистого цинка.

Фотодиоды с барьером Шоттки с точки зрения их применения в оптоэлектронике характеризуются следующими особенностями:

1) простатой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на разнообразных полупроводниках «оптоэлектронного диапазона» спектра (Si, Ge, CdS, CdSe, GaAsP, GaAs, GaAlAs, GaP, InP), включая и такие, в которых не удается создать р-n переходы;

2) сочетанием высокой фоточувствительности и быстродействия: когда все излучение поглощается в слое объемного заряда, эти параметры достигают тех же значений, что и у p-i-n фотодиодов;

3) широким выбором металлов, создающих выпрямляющий контакт на кремнии (Au, Al, Ag, Pt, Cu, Mo, Ni, In, Bi, Rh, V, W, Ti, Cd, Mg, Cr), что дает возможность варьирования высотой потенциального барьера ц_k;

4) резким различием оптических свойств металла и полупроводника, позволяющим создавать ряд оригинальных фотоэлектрических приборов;

5) простотой изготовления барьеров Шоттки, основанной на методах планарной технологии;

6) технологической и (физической совместимостью фотодиодов с барьером Шоттки с оптическими ИМС.

Фотодиоды с барьером Шоттки имеют наименьший уровень шумов по сравнению с полученными на основе других полупроводников и разрабатываются непосредственно для систем интегральной оптики.

Гетерофотодиоды представляют собой один из наиболее интенсивно развивающихся классов оптоэлектронных фотоприемников. Их устройство можно проиллюстрировать на примере структуры.

На подложке арсенида галлия n⁺ типа методом жидкофазной эпитаксии последовательно наращивают сначала слой чистого нелегированного арсенида галлия n типа, а затем слой твердотельного раствора Ga_1-xAl_xAs p типа. Обеспечение в растворе значения X = 0,3…0,4 приводит к различию ширины запрещенной зоны по разные стороны гетероперехода ~ 0,4 эВ.

Слой Ga_1-xAl_xAs играет роль широкозонного окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней GaAs n - области. Структура зонной диаграммы (рис. 1.21, б) обеспечивает беспрепятственный перенос генерируемых в n - GaAs дырок в p⁺ GaAlAs. Толщина средней W - области выбирается такой, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. Практически при л~ 0,65 мкм достаточно иметь W= 20 мкм. Высокая степень чистоты этой области обеспечивает малые рекомбинационные потери генерируемых светом носителей. Гетероструктур по физике поглощения света, накопления и рассеивания генерируемых носителей заряда в значительной степени подобна рассмотренной ранее p-i-n структуре.

Фоточувствительность определяется эффективным временем жизни носителей в среднем слое, а время переключения - толщиной этого слоя и напряженностью электрического поля. Таким образом, к преимуществам фотоприемников с гетеропроходами относятся фоточувствительность, высокое быстродействие, возможность эффективной работы при малых обратных напряжениях.

Свобода выбора материала базы обусловливает и возможность достижения высокой фотоЭДС, снижения обратных токов, расширения температурного рабочего диапазона. В настоящее время лишь с помощью гетерофотодиодов можно получить КПД, близкий к 100%.

Фотодиоды на основе GaAs и гетеропереходов в Al_xGa_1-xAs, уступая в стоимости, существенно превосходят кремниевые по КПД преобразования излучения и возможности регулирования спектральной характеристики, а приборы на основе этих материалов с барьером Шоттки характеризуются самым низким уровнем шумов. Фотодиоды на основе GaAs и Al_xGa_1-xAs серийно не выпускаются, однако их перспективность для создания устройств интегральной оптоэлектроники не вызывает сомнений.

Важнейшее преимущество гетерофотодиодов - их технологическая совместимость с диэлектрическими волноводами оптических ИМС. Основным недостатком фотоприемников этого типа является присущая гетероструктурам сложность изготовления, необходимость при выборе контактной пары полупроводников удовлетворения целого ряда требований (совпадение постоянных решетки, коэффициентов линейного расширения и т.п.).

Размещено на Allbest.ru