3. 3. 6. Лавинные фотодиоды, фотодиоды Шоттки, фотодиоды с гетероструктурой.
Чувствительность приемников излучения на основе р-n-перехода можно увеличить, расширяя область объемного заряда, ширину перехода, создавая р-i-n-диоды, в которых широкая область собственного материала (i) расположена между двумя легированными областями противоположного знака электропроводности. При наложении обратного напряжения сильное электрическое поле распространяется на всю область собственной проводимости. Если фотоносители ускоряются так, что в процессе соударения рождаются дополнительные электронно-дырочные пары, то приемник обладает внутренним усилением и называется лавинным фотодиодом. Такая структура позволяет получать очень быстродействующий и чувствительный приёмник излучения. Повышение быстродействия p-i-n фотодиода обусловлено тем, что процесс диффузии фотоносителей в этих структурах заменяется дрейфом в сильном электрическом поле p-n-перехода. Из-за малого уровня шума обнаружительная способность фотодиодов на основе p-n-перехода имеет большие значения по сравнению с фотопроводящими приемниками.
На основе контакта металл-полупроводник создаются фотодиоды Шоттки. Реальные контакты металла c полупроводником в настоящее время создаются методом напыления в вакууме металла на полупроводник. Барьеры Шоттки образуются как на контакте металла с полупроводником n-типа, так и с полупроводником р-типа. Спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл-полупроводник шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-n-переходом из того же полупроводника, так как поглощение квантов излучения происходит в металле с энергией, меньшей ширины запрещённой зоны. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда неосновных носителей, инерционность этих приборов определяется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда и равна (10-10 – 10-11) с. Барьеры Шоттки отличаются простотой их создания и изготовления на разнообразных полупроводниках, в том числе и на таких, в которых не удаётся получить классический p-n-переход.
Д
о
сих пор мы рассматривали гомопереходы,
р- и n-
области созданы из одного и того же
полупроводника, они имеют одинаковые
значения ширины запрещенной зоны.
Представляют интерес гетеропереходы,
в которых р- и n-
области перехода изготовлены из различных
полупроводников – широкозонного и
узкозонного. В гетеропереходе есть
возможность получить высокоэффективную
инжекцию неосновных носителей в
узкозонный полупроводник. Зонная
диаграмма р-n-гетероперехода
представлена на рис. 26. Благодаря разрывам
DЕс
и DЕv
высоты потенциальных барьеров для
электронов и дырок разные. Поэтому в
гетеропереходе обычно происходит
односторонняя инжекция носителей из
широкозонного полупроводника в
узкозонный. Когда прямое смещение
выравнивает валентные зоны, дырки
инжектируются в n-
область.
Рис. 26. Идеальная зонная схема для гетероперехода.
а-в условиях равновесия, б-при прямом смещении V.
Инжекции же электронов в р- область препятствует барьер DЕ = Еg1- Eg2. При освещении поверхности со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией Еg2 < ħw < Eg1. Широкозонный полупроводник служит «окном», прозрачным для света, поглощаемого в узкозонном полупроводнике.
Хорошие результаты получены при использовании гетероструктур для создания солнечных элементов. Коэффициент полезного действия (к.п.д) этих элементов будет больше, если расширить спектральную область падающего на солнечный элемент излучения. Одними из первых были получены и исследованы гетероструктуры на основе Ge-GaAs. Свет падает на p-GaAs и поглощается в n-Ge. К.п.д современных солнечных батарей равняется ~ 25%, рабочая область l = (0.4 – 0.9) мкм.
Для получения идеальных монокристаллических гетеропереходов необходимо, чтобы у полупроводников совпадали типы кристаллических решёток с точностью ~ 0.1%.