Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Плотность диффузионного тока, определяемая как / diff = = - qDp
(dpn/dx)x=w, равна
При нормальных условиях работы член, содержащий pn0t значительно меньше
первого члена и полный фототок пропорционален потоку фотонов. Из
уравнений (12) и (28) можно вывести выражение для квантовой эффективности
Для получения высокой квантовой эффективности желательно, чтобы
коэффициент отражения был мал и выполнялось условие
1. Однако при W > 1/а может оказаться значительным время пролета.
Рассмотрим теперь влияние времени пролета.
Так как для прохождения носителей через обедненный слой требуется
конечное время, то при высокочастотной модуляции интенсивности падающего
излучения появляется разность фаз между потоком фотонов и фототоком. Для
получения количественного выражения, описывающего этот эффект, обратимся
к рис.
ток
J dr = - q j G (х) dx = q($0 (1 - e~aW)
(23)
о
Pn - Pm
4~ G (x) - 0,
(24)
Pn 3=1 PnO {р,гО C\e
(25)
где Lp - ~\/~DpTp и
(26)
(27)
Плотность полного тока описывается выражением
(28)
354
Глава 13
\
si
У s'
IS.
8.1
¦ti!
§
j<vt
Обедненная
область
-J
Объем полу-' проводника
1
tv
а
чЬ-
.S
N
I
<U
I
Vv
/ 0,0 0,8 ^ 0,7 % °>5 < 0,4 ^ °'3 0,2 0,1 О
Тазов / /
/ в/
V J / f
/\ /
^Амплитуда /
/' /
/ /
/ tf
/
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5 ц 0,4 V " 0,3 ^ 0,2 0,1 О
О 1 2 3 4 5 6 7 8 S 10 1112 (Dtr
Рив, 11. Представление диода (а), принятое при рассмотрении эффектов,
связанных с влиянием времени пролета, и фотоответ (нормированный ток или
напряжение) (б) как функция от нормализованной частоты модулятора
падающего потока фотонов (здесь 0 = Шг/2) [15].
11, а, на котором схематически изображен наиболее простой случай.
Предполагается, что приложенное напряжение достаточно велико для того,
чтобы область собственной проводимости была приведена в состояние полного
обеднения и скорость дрейфа носителей достигла значения скорости
насыщения. При плотности потока фотонов, равной Ф1е^ш (фотон/с см2),
плотность тока проводимости Jcond в точке х оказывается равной
Jarnd М = "Ф/" (30)
Поскольку V-/tol = 0, то можно написать
W
J tot ~ цу J ^*^cond "Ь ~~Q/~ ) dX} (31)
0
Фотодетекторы
355
где второй член в скобках представляет собой плотность тока смещения, a
es и <8 - диэлектрическая постоянная и электрическое поле соответственно.
Подставляя уравнение (30) в уравнение (31), получим
где V - сумма приложенного и встроенного напряжений и tT = = Wlv3 - время
пролета носителей через обедненную область.
Из уравнения (32) следует, что плотность тока короткого замыкания (V = 0)
равна
Эффекты, проявляющиеся на высоких частотах и связанные с влиянием времени
пролета, иллюстрируются на рис. 11, б, на котором приведены зависимости
амплитуды и фазового угла нормализованного тока от нормализованной
частоты модуляции. Отметим, что амплитуда переменной составляющей
фототока резко уменьшается, когда (otff становится больше 1. При соtT -
2,4 уменьшение амплитуды в 1/2 раз сопровождается изменением фазового
угла на величину 2зт/5. Быстродействие фотодетектора, таким образом,
ограничивается временем пролета носителей через обедненный слой. Разумный
компромисс между быстродействием и квантовой эффективностью достигается
при значениях ширины области поглощения от 1/а до 2/а.
Рие. 12. Зависимость квантовой эффективности кремниевого р - i - я-фото-
диода от ширины обедненной области и граничной частоты (на уровне 3 дБ),
определяемой временем пролета для различных длин волн. Скорость насыщения
равна К)7 cm/g.
(32)
Ширина обедненной од/iacmu, мки
f
356
Глава 13
Просветляющее покрытие. ht)
Металлический
контакт
а
ho
г**(tm) -/-У - \ У t~" _ ' J
i Щ п
~ пТ~' ' " п+
hi)
р:
Металл
покрытие $
Просветляющее /г# покрытие
¦ Тонкий полупрозрачный слои металла
Металлический
контакт
А Металличес-
~ / и-кий зонд
Металлическии %
отражающий контакт
д е
Рис. 13, Конструкции некоторых высокочастотных фотодиодов [2 ].
а - р - i - n-диод; б - диод с р - га-переходом; в - р - I - n-диод о
освещением параллельно переходу; г - диод со структурой металл -
полупроводник; д - диод со структурой металл - i - п; е -
полупроводниковый точечно-контактный диод.
В р-i-"-диоде ширина /-области выбирается равной 1/а. Время пролета
носителей равно времени их дрейфа через г-область. Из уравнения (33)
следует, что ослабление фототока, соответствующее 3 дБ, происходит на
частоте
h дб = г* 0,4аув. (34)
На рив. 12 приведена зависимость внутренней квантовой эффек-тив"ости, т.
е. г)/(1 ¦- R), кремниевого р-г-л-фотодиода от /8 дб и ширины обедненной
области, вычисленная из уравнения (34)
Фотодетекторы
357
¦till '¦ I ¦¦
с учетом данных, представленных на рис. 5. Кривые иллюстрируют связь
между быстродействием (частота /здБ) и квантовой эффективностью при
различных длинах волн.
Несколько конструкций высокочастотных фотодиодов показаны на рис. 13 12
