Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
коэффициентов поглощения а от длины волны, измеренные для различных
фоточувствительных материалов 12]. Для Ge, Si и полупроводниковых
соединений типа AIHBV при увеличении температуры кривые сдвигаются в
область больших длин волн. Для некоторых соединений типа AIVBVI
(например, PbSe) имеет место обратная ситуация, что обусловлено
расширением запрещенной зоны при увеличении температуры. На рисунках
указаны также длины волн, соответствующие излучению некоторых важных
лазеров.
Вследствие того что а сильно зависит от длины волны, для данного
полупроводника область длин волн, в которой можно получить заметный
фототок, ограниченна. Длинноволновая гра-
Фотодетекторы
341
0,2 0# 0,6 ом / f,2 1Л 1,6 1,8
Длина болны, мкм
Рис. 5. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения для
различных фоточувствительных материалов [2].
Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения для
материалов, чувствительных в ИК-области спектра [2].
348
Глава 13
Рис. 7. Зависимости квантовой эффективности (сплошная кривая) и
чувствитель* ности (штриховая кривая) различных фотодетекторов от длины
волны излучения.
ница 'кс определяется шириной запрещенной зоны полупроводника в
соответствии с уравнением (1) и равна ~1,7 мкм для Ge и ~1,1 мкм для Si.
Для длин волн, больших А,с, значение а слишком мало, чтобы обеспечить
заметное поглощение. Коротковолновая граница фотоответа обусловлена тем,
что в области коротких волн коэффициент а очень велик (^Ю5 см-1) и
излучение поглощается в непосредственной близости поверхности, где
времена рекомбинации малы. Вследствие этого фотоносители рекомбинируют
раньше, чем уходят из поверхностного слоя. На рис. 7 приведены типичные
зависимости квантовой эффективности от длкиы волны для некоторых
высокочастотных фотодиодов и кривые квантовой эффективности,
соответствующие заданным значениям чувствительности. В ультрафиолетовой и
видимой областях спектра высокой квантовой эффективностью обладают
фотодиоды со структурой металл- полупроводник. В ближнем ИК-диапазоне (на
длинах волн ~0,8-*
0,9 мкм) в кремниевых фотодиодах с просветляющим покрытием может быть
достигнута квантовая эффективность 100 % . В области длин волн 1,0-1,6
мкм высокой .квантовой эффективностью характеризуются фотодиоды на Ge, а
также на основе тройных (например, GalnAs) и четверных (например,
GalnAsP) соединений элементов III и V групп. Для обеспечения
высокоэффективной работы в длинноволновой области фотодиоды охлаждаются
до низких температур (например, до 77 К).
Скорость фотоответа ограничивается тремя факторами: диффузией носителей,
временем дрейфа через обедненную область и емкостью обедненной области.
Носители, генерированные за пре-
Фотодетекторы
349
делами обедненной области, должны диффундировать к переходу, что
существенно увеличивает время задержки. Чтобы уменьшить влияние диффузии,
необходимо формировать переход вблизи поверхности. Основная часть
излучения поглощается в том случае, когда обедненная область достаточно
широка (порядка 1/а); при достаточно высоких обратных смещениях дрейф
носителей осуществляется со скоростью насыщения. Обедненный слой, однако,
не должен быть слишком широким, иначе время переноса будет ограничивать
скорость фотоответа. Кроме того, он не должен быть и слишком узким, иначе
за счет большой емкости С будет велика постоянная времени RC (R -
сопротивление нагрузки). Оптимальной шириной обедненного слоя считается
такая ширина, при которой время переноса равно примерно половине периода
модуляции излучения. Например, для частоты модуляции, равной 10 ГГц,
оптимальная ширина обедненного слоя в кремнии (скорость насыщения ~107
см/с) составляет ~5 мкм.
Для изучения шумовых свойств фотодиода рассмотрим обобщенный процесс
детектирования излучения, схематически представленный на рис. 8, а [5].
При поглощении оптического сигнала и фонового излучения в фотодиоде
генерируются электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются
электрическим полем и дрейфуют в противоположные стороны от р-"-перехода.
При этом через внешнее нагрузочное сопротивление протекает ток смещения.
Для определения генерационного тока, возникающего в результате этого
фотоэлектронного процесса, рассмотрим модулированный по интенсивности
оптический сигнал, заданный уравнением (5). Средний фототок,
обусловленный оптическим сигналом, равен
1Р = q\]Popt/hv.
(14)
Оптическим
сигнал
Фоновое
излучение
Так:
Тепловой
Фото- диод ныи Темновои* Схема согласо- вания
" э"
Фонооыи
Выходной
сигнал
Импульсный илцм
а
Рис, 8. Процесс детектирования излучения (а) и эквивалентная схема
фотодиода (б) [61.
350
Глава 13
Среднеквадратичная мощность модулированного оптического
сигнала равна mPovJV2, а среднеквадратичный ток сигнала можно записать в
виде
ip - qr)mPopt/-/2 hv. (15)
Ток, обусловленный фоновым излучением, равен 1В, а темновой ток
термической генерации электронно-дырочных пар в обедненной области /D.
