Гетероқұрылымды фотодиодтар

Гетерофотодиодтар дегеніміз өткел қабаты бар әр түрлі тыйым салынған зоналы шалаөткізгішті материалға байытылған құрал.

Бұл құралдың құрылғысы мен жұмыс істеу принципін 6.12-суретте көрсетілегн GaAs - GaAlAs гетероқұрылымды фотодиод мысалында қарастырамыз.

п⁺ -типті арсенид галллийдің қабатында (N_д ≈ 10^-18 см^-3) эпитаксияның сұйықфазалы әдісі алдымен таза легірленбеген п -типті арсенид галллийдің қабатын үлкейтеді(N_д ≈ 10¹⁵ см^-3), сосын р⁺ - типті қатты қоспа қабатын (N_д ≈ 10^-18 см^-3) үлкейтеді. Х = 0,4 мағынасының қоспада қамтамасыз етуі гетероөткелдің ≈0,4 эВ әр түрлі жағы бойынша тыйым салынған зонаның өзгеруіне алып келеді.

6.12-сурет. Гетероқұрылымды фотодиод:

1. құрылымы;

2. энергетикалық диаграммасы.

GaAlAs қабаты орта п- облыста жұтатын сәулеленуді өткізетін енділі зона терезесі рөлін атқарады. Зоналық диаграмма құрылымы (6.12б- сурет) п- облыста және р- облыста генерациялайтын кемтіктердің тосқауылсыз ауысуын қамтамасыз етеді.

Орта облыстың қалыңдығы барлық түскен қуаттардың жұтылуын қамтамасыз ететіндей таңдалады. λ ≈ 0,85 мкм кезінде һ ≈ 20 мкм иеленуі жеткілікті. Бұл облыстың тазалығының жоғарғы деңгейі тасушылардың генерацияланған жарығы бар аз рекомбинацияланған шығынды қамтамасыз етеді. Гетерофотодиодтардың фотосезгіштігі орта қабаттағы тасушылар өмірінің эффективті уақытымен анықталады, ал қосудың уақыты осы қабаттың қалыңдығымен және электр өрісінің кернеулігімен анықталады. Аяқталған гетероқұрылымдарды қолдану 100% - ке жуық ПӘК – і бар фотодиодтарды жасауға мүмкіндікті ашады. Теңеспеген заряд тасушыларды аз уақытта алу және барьер сыйымдылығының аз мағынасы гетерофотодиодтардың жоғары жылдам қозғалуын қамтамасыз етеді. Мұндай құралдар аз кері кернеу кезінде эффективті жұмыс істей алады. Шалаөткізгішті материалдардың жұптарын таңдап, толқын ұзындығының оптикалық диапазонындағы кез келген бөлігінде жұмыс жасайтын фотодиодтарды алуға болады. Бұл иеленушілік гетерофотодиодтағы жұмыс жасайтын толқын ұзындығы тыйым салынған зонаның әр түрлі енімен анықталуына және жұту тереңдігінің спектральді сипаттамасымен байланыссыздығына шартталған.

Гетерофотодиодтардың фото – ЭҚК базасының үлкен мүмкіншілікпен таңдауы кремнийлі фотодиодтардың фото – ЭҚК-нан 0,8...1,1 В-тан – 2...3 есе үлкен. Гетерофотодиодтардың негізгі кемшілігі гетероқұрылымға қатысты жасау қиындығы болып табылады.

6.7.

Лавинді фотодиодтар

Сезгіштігі бар жылдам қозғалатын фотоқабылдағыштарды жасаудың бір жолы лавинді үзілісті қолдану боып табылады, яғни лавинді фотодиодтарды жасау. Егер фотодиодтың активті зона өрісі үлкен болса және осы өрістегі фототасушылардың тогын тудыратын энергиясы электрон – кемтік жұптарының туындау энергиясын жоғарылатса, онда тасушылардың лавиртүрлі көбеюі басталады.

Лавинді фотодиодтағы алғашқы фототоктың күшеюі лавинді көбеюдің коэффициентімен анықталады:

мұндағы І_ф – көбею саны бар фотодиодтың шығысындағы ток; І_ф0 – көбею жоқ кездегі ток.

Лавинді фотодиодта лавинді көбею коэффициенті фототоктың күшею коэффициенті болып табылады.

Көбею коэффициенті өткелдің кернеуіне тәуелді болғандықтан:

мұндағы U_бұз – бұзу кернеуі; U – р-п өткелдегі кернеу; m – шалаөткізгішті материалдың өткізгіштік типі мен түрін ескеретін коэффициент(р-типті кремний үшін m = 1,5...2; п-типті кремний үшін m = 3,4...4).

Лавинді фотодиодтың ВАС-сын мына түрде жазуға болады:

Лавинді процесстің жылдамдығы өте үлкен: лавинді фотодиодтың инерциялылығы қосылу уақытымен(10^-8…10^-9 c) сипатталады (6.13-сурет), ал К_і фототоктың күшею коэффициентінің туындауы және жиілік жолақтары рекордты мағыналарға жетуде: K_if_{гр ≈} 10¹¹ Гц. К_і шекті жүзеге асатын мағынасы неғұрлым көп болса, соғұрлым фотодиодтың жылулық кері тогы аз болады, сондықтан ңремний мен галлий арсенидін қолдану кезінде К_і≈ 10³...10⁴ жетеді, ал германийді қолданғанда К_і < 10² болады. Кремниі және арсенид-галлиі бар құралдарда шу деңгейі төмен.

Лавинді фотокөбейту режимінде тәжірибе жүзінде барлық диодты құрылымдар: р⁺ - п, р – і – п, п – р – і – р⁺ және Шоттки барьері сәтті қарастырылған.

6.13-сурет.Лавинді фотодиод: а – құрылымы; б – құрылымдағы өрістің таралуы.

Лавинді фотодиодтар әлсіз оптикалық сигналдарды табу кезінде перспективті. Лавинді фотодиодтарды кең қолдану біршама қиындықтарды тудырады. Оның себебі үзіліс режимінің алдында фототоктың күшейту коэффициенті К_і кернеуге тәуелді, сондықтан лавинді фотодиодтар термостатирлеу жолымен жұмыс кернеуінің күшті стабилизациясын қажет етеді. Лавинді фотодиодтарға басқа үлгідегі үлкен лаұтыру параметрлері әсер етеді. Жоғары жұмыс кернеуін, төмен ПӘК түрленуін микросхемада қолдану қиынға түседі.

Лавинді фотодиодтардың негізгі параметрлері 6.2-кестеде көрсетілген.

6.8.