2.5.5.1. Фотодиод с гомогенным p-n – переходом

Простейшей и наиболее распространенной фоточувствительной структурой является фотоприемник с плоским гомогенным электронно-дырочным

переходом, который в большинстве случаев облучается перпендикулярно плоскости перехода (рис. 2.Хх, в) и реже параллельно плоскости перехода (рис. 2.Хх, б).

В отсутствие облучения и приложенной разности потенциалов переход находится в состоянии термодинамического равновесия (ТДР), которое характеризуется единым уровнем Ферми в пределах всей структуры и равенством нулю результирующего тока основных и неосновных носителей через переход. В состоянии ТДР в переходе существует равновесное диффузионное электрическое поле напряженностью В/см, которому соответствует равновесная высота энергетического барьера для основных носителей каждой из прилегающих к переходу квазинейтральных областей полупроводника. Область перехода, обедненная основными носителями вплоть до концентрации ~ , имеет очень высокое удельное электрическое сопротивление по сравнению с прилегающими квазинейтральными слоями легированного полупроводника и в равновесии характеризуется по сравнению с ними обычно очень малой толщиной перехода мкм и большой напряженностью электрического поля. Область перехода принято называть областью пространственного заряда (ОПЗ) или областью сильного поля.

Подробно образование перехода и основные процессы в нем в равновесном и неравновесном состояниях рассмотрены в [2.39], [2.40].

Под действием излучения с энергией фотонов ≥ E_g в полупроводнике происходят поглощательные межзонные квантовые переходы, т.е. связанные электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и в полупроводнике генерируются пары свободных фотоносителей: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Из-за сильного поглощения света полупроводником (особенно в коротковолновой части собственной полосы поглощения) и малой толщины ОПЗ фотоносители в основном генерируются вдали от перехода в тонком (~10^–5 см) приповерхностном слое фронтальной области приемника. Неравновесные неосновные носители, т.е. электроны в p-области (дырки в n­области), диффундируют под действием градиента их концентрации к переходу (часть их теряется по пути вследствие объемной или поверхностной рекомбинации) и по достижении его границы выбрасываются электрическим полем перехода в другую область. При этом в квазинейтральных областях ФЭ накапливаются избыточные заряды: в n-области - отрицательный, а в p-области – положительный. Разноименные заряды фотоносителей создают электрическое поле, вектор напряженности которого направляется в переходе противоположно его собственному диффузионному полю, разделяющему фотоносители. Вследствие этого процесс разделения носителей в переходе затрудняется и одновременно облегчается проникновение через пониженный барьер перехода основных носителей каждой из квазинейтральных областей.

Равновесие в облученном переходе ФЭ с разомкнутой внешней цепью (режим холостого хода (ХХ)) устанавливается при равенстве нулю результирующего потока через переход основных и неосновных носителей и определенном значении фотоЭДС на зажимах ФЭ.

При замыкании ФЭ на сопротивление , ( и - сопротивление запирающего слоя и ток короткого замыкания (в режиме (КЗ)) фотоэлемента соответственно) в цепи ФЭ протекает фототок , линейно зависящий от падающего на приемник потока излучения. Режим работы фотогальванического приемника без приложения обратного напряжения обычно называют фотогальвническим (фотовольтаическим или фотогенераторным), а режим работы с приложением обратного напряжения – фотодиодным.⁷ Подробнее работа различных фотогальванических приемников, их характеристики и параметры рассмотрены в [2.35], [2.2], [2.15].

Создание быстродействующих высокочувствительных фотодиодов на основе гомогенных переходов связано с большими трудностями, которые в основном обусловлены уже указанной ранее генерацией фотоносителей в поверхностном слое фронтальной области ФД (вдали от границы ОПЗ) и последующим их сравнительно медленным диффузионным движением к переходу.

В общем случае инерционность фотодиода определяется суммой трех временных интервалов:

• временем диффузии неосновных фотоносителей через квазинейтральную фронтальную область от места их генерации до границы ОПЗ,

• временем дрейфа (т.е. разделения) фотоносителей через ОПЗ и

• постоянной времени перезарядки барьерной емкости ФД.

Оценка длительности этих процессов в типичных кремниевых или германиевых ФД с относительно большими толщиной фронтальной области, площадью перехода и барьерной емкостью ( мкм, см² и пФ), замкнутых на сравнительно высокоомную нагрузку ( Ом) показывает, что инерционность таких приемников обычно определяется процессами диффузии и перезарядки емкости и составляет не менее 0,1 мкс. Поэтому менее инерционные полупроводниковые гомогенные ФД должны иметь тонкий (например, не более 10 мкм) фронтальный слой, через который происходит диффузия носителей, малую площадь перехода (до 10^–5 см²) и замыкаться на низкоомную нагрузку (не более 100 Ом), при которых можно получить инерционность таких приемников вплоть до ~ с. Однако достижение столь низкой инерционности неизбежно связано с значительной потерей чувствительности из-за сильного уменьшения поглощения излучения (до 0,5…0,3) от входящего внутрь ЧЭ излучения в малой суммарной толщине квазинейтрального фронтального слоя и ОПЗ.

Следовательно, создание высокочувствительных и сверхбыстродействующих ФД (например, для систем оптической связи или обработки информации) требует:

• во-первых, устранения из структуры ФД достаточно толстого квазинейтрального слоя, хорошо поглощающего излучение, но неизбежно связанного с медленной диффузией носителей к переходу,

• во-вторых, значительного утолщения ОПЗ, которая должна обеспечивать как практически полное поглощение излучения и генерацию фотоносителей, так и быстрое (посредством дрейфа) разделение фотоносителей сильным электрическим полем.

Эти проблемы последовательно разрешаются в структурах металлополупроводниковых диодов (фотодиодах Шоттки) и гетеропереходных - и -фотодиодов.