4. Особенности расчета фотодиода.

Особенности расчета фотодиодов. Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Выбор исходного полупроводникового материала для изготовления фотодиода производят по заданной длине волны света, соответствующей максимуму спектральной характеристики проектируемого фотодиода.

Как и для других диодов, удельное сопротивление исходного полупроводника и, следовательно, марку полупроводникового материала надо выбирать с учетом заданного максимально допустимого обратного напряжения по формулам, связывающим пробивное напряжение с удельным сопротивлением базы диода. При этом не следует выбирать слишком большой запас по пробивному напряжению, т.е. слишком большое удельное сопротивление исходного полупроводника, так как увеличение удельного сопротивления базы приводит к увеличению плотности тока насыщения и может быть причиной увеличения темнового тока фотодиода (уменьшение фототока). Так как величина фототока

I_ф = I_ф.max - I_S (1.22)

Площадь электронно-дырочного перехода фотодиода, если она не задана, может быть определена по заданному значению темнового тока и по плотности обратного тока при максимально допустимом обратном напряжении.

Толщина базы фотодиода должна обеспечивать его работу на заданной частоте модуляции светового потока. По аналогии с биполярными транзисторами время пролета неосновных носителей заряда через базу фотодиода должно быть достаточно малым. Поэтому расчет верхнего предела толщины базы фотодиода надо выполнить с учетом заданной частоты модуляции светового потока:

, (1.23)

где D – коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в базе фотодиода; f – заданная частота модуляции светового потока.

Для улучшения частотных свойств фотодиода можно предусмотреть формирование базы с неравномерным распределением примесей, т.е. со встроенным электрическим полем. Вольтамперная характеристика фотодиода в затемненном состоянии должна быть рассчитана с учетом возможных процессов экстракции неосновных носителей заряда и генерации носителей заряда в электронно-дырочном переходе, а также ударной ионизации в переходе.

Корпус фотодиода должен защищать кристалл полупроводника с электронно-дырочным переходом от воздействий окружающей среды и обеспечивать возможность освещения рабочей площади базовой области светом с длиной волны, соответствующей спектральной характеристики фотодиода.

5. Особенности расчета диода Шоттки.

Структуры с барьером Шоттки.

Диоды с барьером Шоттки (ДБШ) нашли широкое применение как в качестве дискретных диодов, что обусловлено двумя специфическими особенностями ДБШ:

- отсутствие процесса накопления и рассасывания заряда неосновных носителей в базе, что позволяет использовать ДБШ в целях выпрямления переменного тока с частотой до 20 ГГц;

- большая величина по сравнению с кремниевым диодом на p-n переходе тока насыщения I_sm , что объясняет малое по сравнению с кремниевым диоде на p-n переходе прямым падением напряжения.

что используется в низковольтных сильноточных выпрямителях.

Особенности диодов Шоттки, отличающая их от диодов на p-n переходах, заключаются в том, что напряжение их отпирания можно регулировать подбором типа металла, образующего контакт металла с полупроводником, т.е. изменением высоты потенциального барьера контакта металл – полупроводник (таблица 1.2.).

Таблица 1.2. Высота потенциального барьера контакта

металл – кремний n-типа

Металл	Na	Zp	Mo	W	Ni	Ag	AL	Pd	PtSi	Au	Pt
мп В	0,43	0,55	0,59	0,67	0,68	0,76	0,77	0,78	0,82	0,84	0,86

Быстродействие ДБШ определяется в основном временем перезаряда объемного заряда и не связано с накоплением заряда. Максимальная рабочая частота диода Шоттки

f_{max ш} = (2π r_ш ^. С_{Д ш})^-1 , (1.21)

где r_ш – последовательное сопротивление тела диода Шоттки, которое определяется с помощью соотношений табл. 1.2, С_ДШ – емкость диода Шоттки, которая рассчитывается как барьерная емкость резкого перехода

С_ДШ = A

Особенность диодов Шоттки - малая величина падения прямого напряжения U_{пр ш.} используются при построении быстродействующих интегральных логических микросхем ТТЛШ, в которых используются транзисторы Шоттки.

Для ослабления сильного электрического поля у краев перехода металл – полупроводник в транзисторе Шоттки, которое вызывает появление больших токов утечки и преждевременный пробой, используют так называемую расширенную металлизацию (полевую обкладку), которая представлена на рис. 1.14.

При этом частично происходит перекрытие слоя окисла кремния металлизацией. Металлический контакт, лежащий над окислом, при обратном смещении на диоде вызывает обеднение поверхностного слоя, находящегося под областью перекрытия. Это приводит к расширению ОПЗ, а, следовательно, к уменьшению величины напряжения пробоя на поверхности. При конструировании диодов Шоттки с расширенной металлизацией следует учитывать, что такое перекрытие увеличивает емкость диода и, следовательно, снижает его быстродействие.

Рисунок 1.14 – Структура транзистора Шоттки с полевой обкладкой (ПО)

Другой метод, позволяющий снизить напряжение пробоя у краев перехода металл – полупроводник, заключается в создании диффузионного кольца, формируемого под краями металлического электрода диффузией акцепторной примеси (рис. 1.15).

Рисунок 1.15 – Структура транзистора Шоттки

с диффузионным кольцом (ДК)

При обратном смещении сформированного таким образом p-n перехода возникает ОПЗ, смыкающаяся с ОПЗ диода Шотки. Поскольку p-n переход имеет достаточно высокое пробивное напряжение, то он не оказывает существенного влияния на работу ДБШ.

При выборе металла, образующего ДБШ и его площади необходимо обеспечивать, чтобы быстродействие ДБШ превышало быстродействие собственно n-p-n транзистора.

Барьер Шоттки формируется при удельном сопротивлении материала коллектора ρ_k 0,1 Ом ^. см (N_dk 10¹⁷cм^-3). Для уменьшения емкости диода Шоттки С_ДШ желательно увеличивать ρ_к и уменьшать С_ДШ (с увеличением g_к уменьшается также емкость коллекторного перехода C_jk . Однако, с другой стороны, для обеспечения достаточно малых значений сопротивлений объема (тела) коллектора r_кк и сопротивления тела ДБШ r_ш ρ_к нужно снижать. Поэтому необходимо подобрать оптимальные значения ρ_к и A_ДШ, при которых обеспечивается минимальная емкость C_jk и необходимая ВАХ ДБШ.