Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
3. р-i-я-Фотодиод (рис. 13, а) снабжен просветляющим покрытием для
увеличения квантовой эффективности. Толщина области собственной
проводимости (на практике используется высокоомный слой п-типа, т. е. v-
область, или высокоомный слой р-типа, т. е. я-область) выбирается
оптимальной для заданной длины волны оптического сигнала и частоты
модуляции. В р-п-фотодиоде /2-слой имеет более высокую концентрацию
легирующей примеси и в результате этого обеднен не полностью (рис. 13,
б). Вследствие большего вклада диффузионного тока р-/г-фотодиоды обычно
обладают меньшим быстродействием, чем р-i-п-фотодиоды. При длинах волн
вблизи красной границы чувствительности требуемая толщина поглощения
становится очень большой (при а - 10 см"1 или 1/а =* 1000 мкм). В этом
случае согласование между квантовой эффективностью и быстродействием
может быть достигнуто, если свет входит в полупроводник через грань
параллельно переходу (рис. 13, в). Можно также выбрать такие углы падения
света, которые обеспечивают его многократное отражение внутри прибора и
тем самым приводят к увеличению эффективности толщины поглощения,
сохраняя при этом малую длину дрейфа носителей [16, 17]. Три других
прибора, представляющие собой фотодиоды с барьером Шоттки, рассмотрены в
следующем разделе.
13.3.3. Фотодиод с барьером Шоттки
Фотодиоды с барьером Шоттки могут быть использованы в качестве
высокоэффективных фотодетекторов [18, 19]. Зонная
энергетическая диаграмма и протекание тока в диоде с барьером Шоттки
рассмотрены в гл. 5, а типичная структура изображена на рис. 13, г, С
целью исключения больших потерь на отражение и поглощение при освещении
диода через металлический контакт следует использовать очень тонкие слои
металла (^-100 А) и применять просветляющие покрытия. Диод может работать
в различных режимах в зависимости от энергии фотонов и прикладываемого
смещения:
1. При Eg ?>/iv ?>qq>Bn и V < (рис. 14, а) (где VB - напряжение
лавинного пробоя) электроны, возбужденные в металле под действием
излучения и преодолевшие барьер, будут входить в полупроводник. Этот
эффект часто используется для определения высоты барьера Шоттки и
изучения процессов переноса горячих электронов в металлических пленках
[20].
2. При hv и V < VB (рис. 14, б) излучение вызывает
генерацию электронно-дырочных пар, и основные характеристики
358
Глава 13
W
¦у Ц
ho ^
Ш77Г,Ег
Рис. 14. Фотоамиссия электронов из металла в полупроводник (а) (bg > ftv
> qq>Bn)> собственное возбуждение (зона - зона) электронно-дырочной пары
(б) (/rv > Eg), а также генерация электроннодырочной пары и лавинное
умножение в условиях большого обратного смещения (в) (hv > Eg и V ~ Vg),
диода очень похожи на характеристики р-i-"-фотодиода. Квантовая
эффективность определяется выражением, идентичным уравнению (29).
3. При hv >?g и V ~ VB (большое обратное смещение) (рис. 14, в) диод
может работать как лавинный фотодиод (последний рассматривается в разд.
13.4).
Фотодиоды с барьером Шоттки особенно эффективны в видимой и
ультрафиолетовой областях спектра. Для этих спектральных областей
коэффициент поглощения а в наиболее распространенных полупроводниках
очень велик (~106 см-1 и более) и эффективная глубина поглощения мала
(1/а ~ 0,1 мкм и менее). Поэтому оказывается возможным подобрать металл и
просветляющее покрытие так, чтобы большая часть падающего излучения
поглощалась вблизи поверхности полупроводника.
Структура, показанная на рис. 15, а, имеет тщательно подобранное
просветляющее покрытие из ZnS толщиной 500 А и коэффициентом преломления
2,30. Пленка из золота имеет комплексный
Фотодетекторы
359
коэффициент преломления п = 0,28 + /0,301 на длине волны X = 6328 А
(излучение Не-Ne-лазера), в то время как на этой длине волны кремниевая
подложка имеет коэффициент преломления, равныйЗ,75 4- /0,018. На рис. 15,
б представлены зависимости пропускания, коэффициента отражения и потерь в
пленке Аи от ее толщины. Видно, что при толщине пленки около 100 А более
95 % падающего излучения проникает в кремниевую подложку.
Экспериментальные результаты, полученные на диоде, подобном тому, который
показан на рис. 13, г, показывают, что полная квантовая эффективность
диода на длине волны X - 6328 А равна. 70 % и время нарастания
фотоотклика достигает 0,1 не (1 не = 10~9 с)
Квантовая эффективность и коэффициент пропускания Аи-п-Si-фотодиода [21 ]
(толщина пленки Аи равна 107 А) для энергии фотона в диапазоне 1-6 эВ
представлены н" рис. 16. В видимой области спектра (вплоть до энергии hv
= 3,1 эВ) значения г| и коэффициента пропускания практически одиниковы. В
ультрафиолетовой области они различаются менее чем на 25 %. Найдено, что
квантовая эффективность для всех значений энергии фотона не зависит от
концентрации легирования при ее изменении от 2-1013 до 2* 1017 см'3. Это
означает, что потери, обусловленные
[17].
Воздух / п =2,30
Диэлектрик
а
Рис. 15. Структура с просветляющим покрытием из пленки ZnS толщиной 500 А
