5.4 Фотодиоды с p–I–n структурой

Расширение частотного диапазона фотодиода без снижения его чувствительности возможно в p-i-n структурах (в соответствии с рис. 5.7).

В p-i-n структуре i-область заключена между двумя областями противоположного типа электропроводимости и имеет удельное сопротивление, в (10⁶-10⁷) раз больше, чем сопротивление легированных областей n- и p-типов. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i-область.

Рис. 5.7. Фотодиод с p-i-n структурой

Поскольку эта область может быть сделана достаточно широкой. Такая структура создает основу для получения быстродействующего и чувствительного приемника. Дырки и электроны, появившиеся в i-области за счет поглощения излучения, быстро разделяются электрическим полем. Энергетическая диаграмма p-i-n диода при обратном смещении представлена на рис. 6.8. Около 90% излучения поглощается непосредственно в i-области.

Рис. 5.8. Энергетическая диаграмма фотодиода с р-i-n структурой

Рис. 5.9. Фотодиод с гетероструктурой

Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в р-i-n структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле.

Время дрейфа дырок t_др через i-область шириной h составляет

t_др = h/v_р = h/_рЕ, (5.29)

где Е – напряженность электрического поля в i-области;

_р – подвижность дырок;

v_р=_рЕ- скорость дрейфа дырок в электрическом поле.

При напряженности электрического поля примерно 210⁶ В/м достигается максимальная скорость дрейфа носителей v = (68)10⁴ м/с.

В этом случае при h = 10^-2 см получим t_др  (10^-910^-19) с. Диапазон частот для этого диода f10⁹Гц. Это быстродействующие кремниевые фотодиоды.

Отношение времени дрейфа носителей через i – область в p-i-n фотодиоде к времени диффузии через базу в p-n фотодиоде можно представить в виде

≈ (5.30)

Так как D_p/_p=KT/c=_T, следовательно, уже начиная с U_обр=(0,10,2) В p-i-n фотодиоды имеют преимущество в быстродействии.

Таким образом, фотодиоды с p-i-n структурой имеют следующие основные достоинства:

- сочетание высокой чувствительности (на длине волны 0,9 мкм практически достигнут теоретический предел чувствительности S_ф0,7 А/Вт) и высокого быстродействия;

- возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-области;

- малая барьерная емкость;

- малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость p-i-n фотодиодов с интегральными микросхемами.

К недостаткам p-i-n структуры следует отнести требование высокой чистоты i-базы и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

Параметры отечественных p-i-n диодов приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1 – Параметры отечественных p – i – n фотодиодов

№ п/п	Наименование	, мкм	Im, нА	S, А/вт	б, нс	СФ, пФ	Uраб, В
1	ФД-252	0,85	10	0,35	5	5	24
2	ФД252-01А	0,85	10	0,35	2	2	24
3	ФД252-01Б0	0,85	10	0,35	10	10	5
4	ФД324	0,85	5	0,4	10	10	5
5	ФД500	0,83	1	0,7	5	25	-
6	ФД40А	1,3	10	0,7	-	0,3	-
7	ФД70А	1,3	10	0,7	-	0,7	-
8	ФД250А	1,3	20	0,7	-	6	-
9	ФД500А	1,3	30	0,7	-	35	-
10	ФД40Б	1,55	10	0,8	-	0,3	-
11	ФД70А	1,55	10	0,8	-	0,7	-
12	ФД25-Б	1,55	20	0,8	-	6	-
13	ФД500Б	1,55	30	0,8	0,04	35	-
14	ФДМ-40	1,55	20	0,8	0,075	-	-
15	ФДМ-70	1,55	20	0,8	-	-	-
16	ФДМ-70А	1,3	10	0,5-0,6	-	1,2	-
17	ФДМ-70Б	1,55	10	0,5-0,6		1,2	-