Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
I
E
c0
E
v0
Рис. 8.3. Зонная диаграмма структуры с барьером Шоттки
Рис. 8.4. Спектральная зависимость фотоотклика структуры с барьером Шоттки:
1 - поглощение в полупроводнике; 2 - поглощение в металле
Таким образом, длинноволновый край фотоэффекта в структуре с барьером Шоттки определяется высотой барьера со стороны металла, а коротковолновый - собственным поглощением в полупроводнике.
Граничная частота фотодиодов Шоттки достигает 10 ГГц и более.
В качестве полупроводников для создания фотодиодов с барьером Шоттки используются кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), тройные соединения (AlGaAs, InGaAs, GaAsP) и др. Для получения невыпрямляющих контактов используются золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt), алюминий (Al), медь (Cu) и другие металлы.
Лавинный фотодиод. Если к фотодиодной структуре приложить достаточно высокое обратное напряжение, то ускоренные во внутреннем
e
51
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
поле потенциального барьера электроны и дырки будут ионизировать атомы решетки полупроводника. Вторичные электроны и дырки также ускоряются полем, вызывают новые акты ионизации - и процесс размножения носителей приобретает лавинообразный характер. Процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентом лавинного умножения,, определяемым как отношение
M = —
I 0
(8.2)
где I - ток через ^-«-переход в режиме лавинного умножения, а I0 - ток при малых обратных напряжениях, когда умножения носителей еще нет. Фотодиод, работающий в этом режиме, называется лавинным фотодиодом (ЛФД). Величина M задается эмпирической формулой Миллера:
i-i
M =
Г U ] a
1 -
I Ub J
(8.3)
где U - напряжение на ^-«-переходе, Ub - напряжение лавинного пробоя. Типичные значения показателя степени а в формуле (8.3) для разных веществ обычно лежат в пределах от 2 до 6. Максимальная величина коэффициента умножения M у германиевых ЛФД достигает
102 -103.
у кремниевых - 104 -106.
При среднем коэффициенте лавинного умножения M каждый носитель может создать вторичные носители заряда в количестве как большем, так и меньшем M. Случайный характер процесса приводит к возникновению дополнительного шума, называемого шумом лавинного умножения. Если величина полезного сигнала при умножении увеличивается в M раз, то среднеквадратичное значение напряжения шума возрастает в M ¦ л]F(M) раз, где F(M) - коэффициент шума лавинного умножения. Величина F (M) определяется формулой Макинтайра:
(1 - k /M -1Л 2'
F (M) = M
1
M
(8.4)
где k - отношение коэффициентов ионизации электронов и дырок. Видно, что коэффициент шума тем меньше, чем меньше k. С увеличением M величина F(M) также возрастает. Иногда для коэффициента шума F (M) используют аппроксимацию вида:
F(M) = Mx , (8.5)
где x - показатель избыточного шума (значение x составляет ~ 0,2 - 0,4 для Si-ЛФД и ~ 0,8 - 1,0 для Ge-ЛФД).
52
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Быстродействие ЛФД характеризуется граничной частотой порядка единиц гигагерц.
Следует отметить, что в режиме лавинного умножения могут работать не только структуры с р-п-переходом, но и p-i-n-фотодиоды, а также фотодиоды с барьером Шоттки. К настоящему времени разработаны лавинные фотодиоды на кремнии (Si), германии (Ge), арсениде галлия (GaAs), тройных (InGaAs, AlGaSb, HgCdTe) и четверных (In-GaAsP, AlGaAsSb) соединениях.
Твердотельные детекторы изображений. При решении многих задач оптоэлектроники требуется не только зарегистрировать оптическое излучение или измерить его мощность, но и произвести анализ оптического изображения.
Многоэлементные приемники излучения можно разделить на приемники с полной электрической развязкой чувствительных элементов и приемники с внутренними электрическими связями. Приемники первого типа (к их числу относится, например, фотодиодная матрица) позволяют считывать информацию с любого чувствительного элемента в произвольном порядке. Это является существенным преимуществом перед приемниками второго типа, к которым относятся, например, фотодетекторы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Считывание информации в приемниках второго типа может быть осуществлено только путем последовательного опроса чувствительных элементов матрицы.
ПЗС-приемник. Рассмотрим структуру типа металл - диэлектрик -полупроводник (МДП) (рис. 8.5 а).
Рис. 8.5. Зонная диаграмма МД11-структуры (а) и фрагмент строки матричного
Предположим, что полупроводник имеет электронный тип проводимости, а работа выхода из него меньше, чем из металла. В этом случае часть электронов уйдет из полупроводника в металл и между ними уста-
а
б
0
ПЗС- приемника (б)
53
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
новится контактная разность потенциалов Uc. Если к такой структуре приложить обратное напряжение U, то глубина потенциальной ямы для дырок, равная при нулевом смещении Е*0 - Ev0 = eUc, увеличится и
станет равной Е*0 - Ev0 = e (Uc + U). При освещении структуры в полупроводнике возникают избыточные электроны и дырки, причем электроны отводятся полем вглубь полупроводника, а дырки скапливаются в указанной потенциальной яме на границе с диэлектриком.
