Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
заметный фототок, ограничена. Длинноволновая граница %с определяется
шириной запрещенной зоны полупроводника ¦в соответствии с уравнением (32)
и равна примерно 1,7 мкм длягер--мания и 1,1 мкм для кремния. Для длин
волн, больших %с, значение а слишком мало, чтобы обеспечить заметное
поглощение. Коротковолновая граница обусловлена тем, что в области
коротких волн коэффициент я очень велик (около 105 см~1) и 'излучение
поглощается очень близко к поверхности, где времена рекомбинации очень
малы. Вследствие этого фотоносители рекомбинируют раньше, чем уходят из
поверхностного слоя. На рис. 24 представлены типичные кривые зависимости
квантовой эффективности от длины волны для кремниевого и германиевого
высокочастотных фотодиодов (Л. 39].
Частотная характеристика ограничивается тремя факторами: диффузией
носителей, временем дрейфа через область пространственного заряда
(обедненный слой) и емкостью обедненного слоя. Носители, генерированные
вне области пространственного заряда, должны диффундировать к переходу,
что вызывает значительное время задержки. Для того чтобы свести к
минимуму влияние диффузии, необходимо, чтобы переход располагался очень
близко к поверхности. Излучение в основном поглощается в том случае,
когда эта область достаточно широка (порядка 1/а); при достаточно высоких
обратных смещениях носители будут дрейфовать со скоростями, ограниченными
их рассеянием. Область пространственного заряда не должна быть, однако,
слишком широкой, так как времена переноса будут ограничивать граничную
частоту. С другой стороны, она не должна быть н слишком узкой, так как в
противном случае большое значение емкости приведет к большому значению
постоянной времени RC, где R - последовательное сопротивление.
Оптимальным значением ширины области пространственного заряда считается
такое значение, при котором время переноса примерно равно половине
периода модуляции излучения. Например, для частоты 'модуляции, равной НО
Ггц оптимальная ширина области пространственного заряда в кремнии (при
скорости дрейфа порядка 107 см/сек) составляет около 5 мкм.
Для определения значения выходной мощности рассмотрим эквивалентную
схему, представленную fJI. 25] на рис. 25,я, на которой С означает
емкость обедненного слоя (области пространственного заряда), a R -
последовательное сопротивление. Ток /рс(со) дается
выражением г^ФИ, которое совпадает с уравнением (35), за исключением
того, что Ф0 заменено для случая переменного сигнала и т равно tT, так
как при достаточно высоких обратных смещениях, приложенных к фотодиоду,
носители переносятся через ОПЗ, не
Рис. ¦ 25. Эквивалентная схема (а) и шумовая эквивалентная схема
фотодиода (б) [Л. 35].
успевая рекомбинировать. Мощность, отдаваемая фотодиодом, равна:
Интересно сравнить уравнение (43) с уравнением (39) для фоторезистора.
Для типичного фотодиода с площадью 10~4 см2, С= =2 пф и R=2 ом и
фоторезистора с такой же площадью г,= = 10"7 сек и G=10-3 мо отдаваемая
фотодиодом мощность.примерно в миллион раз больше, чем мощность,
отдаваемая фоторезистором.
Отношение сигнал/шум фотодиода может быть определено из
О
эквивалентной . шумовой схемы (рис. 25,6). Здесь is-источник
.2
теплового шума последовательного сопротивления; -источник дробового шума.
Отношение сигнал/шум в полосе частот В равно:
Сравнивая уравнения (44) и (42), можно сделать вывод, что при
детектировании больших сигналов, когда членами, включающими kT, можно
пренебречь, отношения сигнал/шум сравнимы. При детектировании слабых
сигналов, когда тепловой шум преобладает, отношение сигнал/шум фотодиода
имеет значительно более высокое значение.
Б. Фотодиоды p-i-n. Фотодиод p-i-n является наиболее типичным детектором
с обедненным слоем. Это объясняется тем, что толщина ОПЗ (слоя
собственной проводимости) может быть создана такой, чтобы обеспечить
оптимальную чувствительность и быстродействие. Структура типичного p-i-n
фотодиода {Л. 40] показана на рис. 26,я. Поглощенное в полупроводникё
излучение создает электронно-дырочные пары. Пары, создаваемые в ОПЗ или
на расстоянии диффузионной длины от нее, разделяются электрическим полем,
что приво-
б)
Раъ- 8 I 12(02С2/? 8 (ioCR)2 ' (43)
2kT (сoRC)2 Ч RI*
(44)
дит к появлению тока во внешней цепи, когда носители дрейфуют через ОПЗ.
В стационарных условиях плотность полного тока, протекающего через ОПЗ,
равна [Л. 41]:
(45)
где Jdr - плотность дрейфового тока, обусловленного носителями,
¦генерированными в ОПЗ; Jam - плотность диффузионного тока,
обусловленного носителями, генерированными вне ОПЗ в объеме
полупроводника и диффундировавшими к обратносмещениому переходу. Выведем
теперь выражение для полного тока при условии, что
х
Падающее
_ 1-Вый
излучение Внешний Полоска-г гг/) вывод
Поток фотонов
Рис. 26, Фотодиод p-i-n.
а - схематическое изображение фотодиода. Дырки и электроны, созданные в
собственной области при приложении обратного смещения, дрейфуют
соответственно к р- и "-областям [Л. 40]; б - зависимость интенсивности
