Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
48
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лекция 8. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ФОТОДЕТЕКТОРОВ
Р-г-и-фотодиод. Более высоким быстродействием, чем обычные фотодиоды, обладают фотодетекторы на основе p-i-n-структур. В них между слоями с высокой концентрацией акцепторов (р+) и доноров
(п +) формируется слой с собственным типом проводимости (i-слой). При приложении к структуре обратного напряжения практически все внутреннее поле р-п-перехода оказывается сосредоточенным в i-слое.
Предположим, что p-i-n-структура освещается со стороны р-области (рис. 8.1). Если толщина p-слоя dр << 1/а, где а - коэффициент
поглощения света в полупроводнике, то излучение пройдет этот слой практически без потерь. Толщина же i-слоя выбирается из условия di >> 1/а. В этом случае почти все генерируемые светом носители заряда будут создаваться в i-слое структуры, где сосредоточено внутреннее поле перехода (до n-слоя излучение попросту не дойдет).
p
п
Рис. 8.1. Схема p-i-n-фотодиода
0
X
Так как диффузия из р + - и п + -областей практически отсутствует, быстродействие определяется временем пролета носителей через i-слой, где имеется внутреннее электрическое поле. Если скорость дрейфа в поле umax » 5 • 104 м/с, а dt » 50 мкм, то время пролета носителей через i-слой составит около 1 нс, что значительно меньше времени диффузии (около 100 нс), определяющего быстродействие обычного фотодиода. Большая толщина обедненного слоя в p-i-n-структуре уменьшает барьерную емкость, что также способствует повышению быстродействия. P-i-n-структуры способны детектировать оптическое излучение, модулированное до частот порядка 1 - 10 ГГц и выше.
P-i-n-фотодиоды изготавливаются из кремния (Si), германия (Ge), арсенида галлия (GaAs), а также из тройных (InGaAs) и четверных (InGaAsP) соединений.
49
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Гетерофотодиоды. При высоком коэффициенте поглощения носители заряда генерируются вблизи входной поверхности фотодиода, где велика плотность поверхностных состояний. В этом случае часть возбужденных носителей рекомбинирует через поверхностные уровни, что приводит к снижению квантового выхода фотодетектора. Подобное явление устраняется в гетерофотодиодах.
Зонная диаграмма гетерофотодиода показана на рис. 8.2. Полупроводник с запрещенной зоной ДЕХ прозрачен для излучения с энергией
кванта Пш < ДЕХ. Этот слой образует так называемое окно, через которое излучение проникает вглубь структуры, где поглощается более узкозонным полупроводником, для которого Пш > ДЕ2. Таким образом, генерация носителей происходит в объеме структуры и влияние поверхности устраняется. Толщина поглощающего и-слоя выбирается из условия dn > 1/а, где а - коэффициент поглощения света. Подбор веществ с близкими значениями ДЕ: и ДЕ 2 позволяет создавать приемники излучения с высокой спектральной селективностью.
К настоящему времени созданы гетерофотодиоды на AlGaAs-GaAs, InGaAsP-InP, AlGaAsSb-GaSb, GaAs-PbS и других полупроводниках.
Структура с барьером Шоттки. Барьер Шоттки, образующийся на контакте металла с полупроводником, может быть получен и на тех полупроводниках, где не удается создать качественные р-и-переходы.
Если на электронный полупроводник нанести слой металла с большей, чем у полупроводника, работой выхода, то часть электронов из полупроводника перейдет в металл. Ионизированная донорная примесь образует в полупроводнике слой положительного пространственного заряда. В металле вблизи той же поверхности формируется отрицательный объемный заряд избыточных электронов. Поскольку в металле содержится большое количество свободных электронов, толщина слоя отрицательного объемного заряда будет небольшой. В полупроводнике же количество электронов в зоне проводимости намного меньше, поэтому область положительного объемного заряда будет значительно шире. Это
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Рис. 8.2. Зонная диаграмма гетерофотодиода с широкозонным Р-AlGaAs окном и узкозонной n-GaAs-базой
50
означает, что внутреннее электрическое поле перехода будет практически полностью сосредоточено в полупроводнике (рис. 8.3). Контактная разность потенциалов Uc на барьере Шоттки определяется разностью работ выхода электрона из металла Am и из полупроводника As:
A - A
Uc =-^-----------------------------------^ . (8.1)
Особенностью структур с барьером Шоттки является расширенная в длинноволновую сторону область спектральной чувствительности. На спектральной характеристике фотодиода с барьером Шоттки выделяются две области (рис. 8.4). Первая - область фотоотклика, обусловленного генерацией свободных носителей заряда при междузонных переходах в полупроводнике (переход 1). Вторая - область фотоотклика, связанная с миграцией горячих электронов из металла в полупроводник. Высота потенциального барьера на границе металла с полупроводником меньше ширины запрещенной зоны полупроводника AE, поэтому этот барьер могут преодолеть носители, возбужденные в металле светом с энергией кванта hw < AE (переход 2).
