Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

крытие). На практике вр-i-п-фотодиодах вместо области с соб­ ственной проводимостью (i-области) используется высокоомный слой п-типа (v-область) или высокоомный слойр-типа (7t-область)

(см. п. 5.4). К электродамр-i-п-фотодиодов прикладывается об­

ратное смещение.

Рассмотрим принцип действия фотодиода. При этом сначала будем полагать, что внещнее напряжение отсутствует и цепь разо­ мкнута. Оптическое излучение, проникая с малыми потерями че­ рез прозрачное покрытие и р+-область, достигает i-базы, в кото­ рой в основном и поглощается (рис. 16.15). При этом происходит ионизация или собственных, или примесных атомов. Интенсив­

ность проявления примесного поглощения существенно меньruе

собственного из-за малого количества примесных атомов по отно­ шению к атомам собственного полупроводника, поэтому в фото­ диодах в основном используется собственная фотопроводимость.

Образующиеся в i-базе электронно-дырочные пары за счет

диффузии или дрейфа, если в базе есть электрическое поле, а ча­

ще всего за счет того и другого начинают перемещаться. Дырки

двигаются в направлениир+-области, а электроны - п+-области

(рис. 16.15, б). 3а счет поля р+-i-перехода осуществляется раз­

деление фотоносителей. Поскольку мы предположили, что цепь разомкнута, то в р+-области происходит накопление дырок, а в п+-области - электронов. В результате потенциальный барьер

на переходе р+- i понижается, т. е. на контактах прибора появ­ ляется некоторая ЭДС. Это явление называется фотовольтаиче­

ским эффектом. (Оно будет более подробно рассмотрено при опи­ сании процессов в солнечных преобразователях, п. 16.6.)

Если теперь замкнуть цепь, приложив к диоду обратное сме­

щение, то объемный заряд может занять всю i-область (см. энер­ гетическую диаграмму на рис. 16.15, б) и во внешней цепи поте­ чет ток JФ, который будет складываться с обратным током Iт

(темновым током) неосвещенного р-i-п-диода. Таким обра­

зом, IФ + Iт::::: IФ. Увеличение мощности оптического излучения

будет приводить и к возрастанию числа генерированных элек­

тронно-дырочных пар, а следовательно, и к увеличению фотото­

ка IФ, что хорошо видно из ВАХр-i-п-фотодиода (рис. 16.16).

Большинство основных параметров р-i-п-фотодиода было

перечислено при рассмотрении фоторезисторов, а именно: мо­

нохроматическая чувствительность, время нарастания (спада), граничная частота, обнаружительная способность, темновой ток,

Быстродействие рассматриваемых фотодиодов ограничивается временем пролета носителей через обедненный i-слой. Для увели­ чения быстродействия необходимо толщину i-слоя делать как

можно меньше. Однако в этом случае возможно существенное

снижение и квантовой эффективности. Как показывают расчеты и эксперимент, разумный компромисс между быстродействием и

квантовой эффективностью достигается в том случае, если размер

области поглощения изменяется от 1/а до 2/а. Зависимос~ь кван­

товой эффекти:вности 11 кремние:вого р-i-п-фотодиода от шири­

ны обедненной области для различных длин волн приведена на рис. 16.18. Изменение ширины обедненной области при увеличе­

нии обратного напряжения для различного удельного сопротивле­ ния i-области демонстрирует рис. 16.19. Если вся база диода пред­ ставляет собой область пространственного заряда, то время проле­ та определяется только дрейфом носителей и в большинстве случаев очень мало. Так, например, при И06Р = 10 В и удельном со-

противлении базы р = 3 • 103 Ом· см ширина обедненной области

-100 мкм (см. рис. 16.19) и при v06P = vдр.нас ""' 107 см/с вр,емя

пролета tпр через область базы будет порядка 1 нс. Напряжение,

при котором наступает условие обеднения всей базовой области, называется напряжением отсечки. Приняв минимальную реаль­

ную толщину базы W ""' 1 мкм, для предельного быстродействия р-i-п-фотодиодов получим tпр""' 10."20 пс, при этом значения

граничной частоты fгр""' 0,35/tпр ""' 18".35 ГГц. Для реальных ди­

одов типичные значения fгр лежат в пределах 200... 500 МГц. Па­ раметры IT, сфд и иобр.максР-i-п-диодов и обычных фотодиодов

практически совпадают. Шумы р-i-п-фотодиодов малы (см.

гл. 22), но их чувствительность невелика.

Т}. %

60

, , Лавинные фотодиоды (ЛФД). ·

[ ЛФД работают при обратных

~смещениях, достаточных для

[ размножения носителей. По

:фотодиода являются кванто­ вая эффективность в задан­

ном спектральном диапазоне,

быстродействие и шумы. Гер-

•. маниевые ЛФД обеспечивают

, 13ысокую квантовую эффектив-

, ность в спектральном диапа-

. р-i-п-структура(рис.16.20и

~ 16.21, а), распределение концентраций примесей для которой

~.·приведено на рис. 16.21, б. Эта структура является, по сути, со­

~- вокупностью перекрывающихся между собой р-i-п-фотоди­

f ода и. лавинного п-р-диода, образованного двумя верхними

[ слоями структуры, изображенной на рис. 16.20; р-i-п-диод i образован п+-слоем, p-i (1t)-базой, которая выполняет роль i-слоя, и р+-подложкой. На рис. 16.20 обозначено: 1 - просвет­ ляющее покрытие; 2 - металлические контакты; 3 - окись

кремни.я Si02 ; 4 - охранное кольцо; 5 - подложка.

476 Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Применение охранного кольца в конструкции ЛФД обуслов­ лено необходимостью устранения токов утечки и образования

микроплазм по периферии перехода, вызываемых краевыми

эффектами (более подробно эти явления рассмотрены ниже).

В ЛФД при номинальных режимах обедненная область зани­

мает всю р-i-базу. В высокоомной i-области напряженность

электрического поля f;i практически неизменна и существенно

меньше, чем на границе п+-р-областей (рис. 16.21, в). В узкой

р-области напряженность электрического поля максимальна

(Рм=с ~ (3 ... 6)105 В/см), и ее значения в некоторой области х1 < < х < х2 (см. рис. 16.21, в) достаточны для возникновения и под­ держания лавинного размножения. Область х1-< х < х2, где про­

исходит лавинное размножение, на рис. 16.21, в заштрихована.

Механизм лавинного размножения при облучении диода све­ том выглядит следующим образом. При воздействии nадающе­ го излучения основная доля фотонов поглощается в i-области, что вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Электроны

под действием электрического поля f;i :::::: 103 ••• 104 В/см (см.

рис. 16.21, в) перемещаются в направлении п+-области, достиг­ нув области х1 < х < х2, где {5 > Рпроб· Там они приобретают энер­

гию, достаточную, чтобы при столкновении с атомами ионизо­ вать их. В результате этих процессов будет происходить лавин­ ное размножение фотоносителей.

В ЛФД необходимо обеспечить однородное размножение по

всей фоточувствительной площади, т. е. должно быть исключе­ но образование локализованных участков, в которых пробивное

напряжение меньше, чем во всем переходе. Иначе будут возни­

кать микроплазменные участки. Применение материалов с ни­ зкой плотностью дислокаций и выполнение активной области с размерами, необходимыми только для сбора светового пучка

(диаметр от нескольких мкм до 10_0 мкм), а также использова­

ние охранного кольца позволJ_Iет уменьшить количество воз­

можных микроплазм. Коэффициент лавинного усиления М, назы­

ваемый также коэффициентом умножения, является основным па­ раметром ЛФД. Он сложным образом зависит от приложенного напряжения. Для кремния эта зависимость представлена на

рис. 16.22. При увеличении напряжения ИФд на диоде от О до

~ 50 В обедненная область (область сосредоточения пространст­ венного заряда) располагается вр-слое, подобно слою х1 < х < х2 на

•\занимаетр-область, а потом и i-слой,

,:Который по мере увеличения напряжения полностью заполня­

',ется объемным зарядом. Этот участок кривой на рис. 16.22 со­

:ответствует рабочим (номинальным) режимам ЛФД, и в рас­

;сматриваемом диапазоне напряжений наблюдается максималь-

1, вый квантовый выход, т. е. все носители, генерированные в

: i-области, достигают внешних электродов. Резкое увеличение

,коэффициента М при больших напряжениях связано с лавин-

ным размножением носителей в i-области. Стабильность пара­

метров при этих напряжениях заметно ухудшается.

Коэффициент М имеет обычно неодинаковые значения в раз­

;личных участках фоточувствительной поверхности; он максима­

",лен в центре и уменьшается в направлении границы. Температур­

,ная зависимость коэффициента М (см. рис. 16.22) объясняется

,так же, как и температурная зависимость пробивного напряже-

ния (см. п. 2.5).

Отметим некоторые характерные свойства разновидностей

,ЛФД. :Кремниевые лавинные фотодиоды со структурой металл-

1;,полупроводник эффективно работают в видимой и УФ областях

спектра. ЛФД с контактом металл-п-Si особенно перспективны

1 для применения в качестве высокочастотных детекторов ультра-

1 фиолетового излучения. Ультрафиолетовое излучение проходит

·через тонкие металлические электроды и поглощается в поверх­

!; постном слое кремния толщиной -10-6 см. В этом случае умно­

!жение носителей осуществляется в основном за счет электронов,

r что снижает уровень шума и повышает чувствительность.

· ЛФД с гетеропереходами на базе таких соединений групп

лшвv, как AlGaAs/GaAs, AlGaSb/GaSb, GalnAs/InP и GalnAs/

InP, обладают рядом преимуществ по сравнению с приборами на

; основе германия и кремния. Эти соединения позволяют регули-

ровать спектральные характеристики и чувствительность при­

боров, получать высокое быстродействие с высокой квантовой

эффективностью за счет реализации прямозонных переходов.

Кроме того, поверхностный слой гетероструктуры с более широ­

кой запрещенной зоной формируется по технологии, которая обеспечивает хорошие высокочастотные характеристики и ми­ нимальные потери, связанные с рекомбинацией фотоносителей.

Лавинные фотодиоды характеризуются в основном той же системой параметров, что и другие фотоприемники. (Она была

описана при рассмотрении фоторезисторов и р-i-п-фотоди­

одов.) Различия, обусловленные спецификой работы и использо­ вания ЛФД, связаны с такими параметрами, как коэффициент усиления (умножения) М; рабочее напряжение Им• при котором достигается требуемое значение М; произведение коэффициента

усиления на полосу частот Мf гр (комбинированный параметр ка­

чества, позволяющий сопоставлять приборы с разными значе­

ниями Ми fгр>· Как и ур-i-п-фотодиода, у ЛФД используются такие параметры, как fгр• IT, tпр• слфд• А и коэффициент шума.

Коэффициент усиления ЛФД был рассмотрен ранее, поэтому остановимся лишь на таком параметре, как рабочее напряже­

ние. Диапазон возможных рабочих напряжений, типичных для п-р-i-р-ЛФД, составляет 100... 500 В, что несопоставимо боль­

ше по сравнению с р-i-п-фотодиодом, который может работать

без смещения.

Отметим ряд недостатков, присущих ЛФД-фотодиодам: слож­ ность изготовления и высокая стоимость; большие рабочие напря­ жения и большая бесполезно расходуемая мощность; работа лишь

в режиме усиления малых сигналов; жесткая стабилизация рабо­

чего напряжения и температуры. Однако сочетание большого уси­ ления и быстродействия и относительно малого уровня шумов

обусловливает их широкое применение в оптоэлектронике.

16.4.3. Разновидности фотоприемников излучения.

Кроме рассмотренных фотопр;f'lемников (фоторезисторов, ла­

винных и р-i-п-фотодиодов), широко используются такие

фотоприемники, как фотодиоды с р-п-переходом, с контактом

металл-полупроводник, гетерофотодиоды, МДП-фотодиоды,

фототранзисторы, фототиристоры и др.

Фотодиоды с р-n-nереходом (р-n-фотодиоды). По своим свойст­ вам, происходящим в них процессам, устройству, областям

применения, по используемым параметрам р-п-фотодиоды во

. многом аналогичныр-i-п~диодам. 'Устройство приборов этого типа понятно из рис. 16.23. В отличие от р-i-п-фотодиода в

. относительно толстой п·базе р-п-фотодиода доминируют диф­

iфузионные процессы, что приводит к большей инерционности и снижению фоточувствителыюсти. В ИК диапазоне фоточувст­ вительностьр-п-фотодиодов может быть на порядок хуже, чем

·у р-i-п-приборов. Эти недостатки существенно ограничивают

применение р-п-фотодиодов в оптоэлектронике. К неоспори-

; мым достоинствам этих приборов можно отнести простоту изго­

товления, повышенную однородность параметров изготовляе­

мых структур из-за использования низкоомной однородной по­

лупроводниковой пластины, полную совместимость технологии изготовления кремниевыхр-п-фотодиодов с технологией мик­ росхем. Последнее обстоятельство позволяет создавать интег­ ральные фотоприемники, представляющие собой микросхему,

:rде совместно с фотодиодом на том же кристалле изготавливают­

ся высокочастотные транзисторы, операционные и ключевые

усилители, пороговые схемы и т. д. Использование стандартной

технологии обеспечивает низкую стоимость фоточувствительных микросхем, практически равную стоимости дискретных прибо­

ров, при высокой чувствительности, быстродействии и темпера­ турной стабильности. Такие схемы обладают очень широкими

функциональными возможностями и перспективны в микро­

электронных оптических устройствах.

Фотодиоды с барьером Шоттки. Используются в качестве высо­ коэффективных фотодетекторов, обладающих малой инерционно­

стью в видимой и 'УФ областях спектра. Основные физические

процессы, протекающие при контакте металл-полупроводник,

были рассмотрены в п. 2.6. Типичная структура фотодиода с барьером Шоттки изображена на рис. 16.24. Здесь 1 - металли-

480 Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

ческие контакты; 2 - просветляющее покрытие из пленки ZnS, SiO и др.; 3 - тонкий полупрозрачный слой металла; 4 - окись кремни.я Si02 ; 5 - диффузионное охранное :кольцор+-типа.

По сравнению с р-п- или р-i-п-структурами металличе­

ская пленка, обеспечивающая :контакт с полупроводником п-ти­ па, обладает значительно меньшим последовательным сопротив­ лением, чем в случае мелкого п+-п-перехода у перечисленных структур. Меньшее последовательное сопротивление дает и мень­ шие потери. :Кроме того, паразитное поглощение коротковолново­

го (УФ) излучения в тонкой (~ 10-6 см) полупрозрачной пленке

меньше, чем в более толстой р+-области. Все отмеченное, а также

простота изготовления и широкий выбор возможных материалов (как металлов, так и полупроводников) несомненно .являются до­ стоинствами этих приборов. Из полупроводников в фотодиодах

Шоттки используют Si, Ge, GaAs, GaAsP, InP, CdS, PbS, PbSe и др., а из металлов -Au, Ag, Pt, Cu, Мо, Ni, W, Cr, Sn, Zn, Cs и др.

Приборы рассматриваемого типа хорошо совместимы техниче­

ски и физически с интегральными структурами, что являете.я су­

щественным их достоинством.

Для видимой и УФ областей спектра коэффициент поглоще­ ния в наиболее распространенных полупроводниках очень ве­

лик(> 105 см-1 ), а эффективна.я глубина поглощения мала (1/а <

< 0,1 мкм), поэтому соответствующим подбором металла и про­ светляющего покрытия добиваются, чтобы падающее излучение

в основном поглощалось вблизи поверхности полупроводника.

Пленка из золота толщиной~ 10-6 см пропускает более 95% па­ дающего излучения, а при толщине ~ 5 · 10-6 см коэффициент

пропускания снижается до 30% . Квантовая эффективность луч­ ших приборов в видимом и УФ диапазонах колеблется в преде­

лах 20 ... 70%, время нарастания фотоотклика ~ 10-10 с.

Фототранзисторы и фототиристоры. Биполярные и полевые

транзисторы, а также тиристоры, рассмотренные соответствен­

но в гл. 4-6, при соответствующей конструктивной модифика­

ции могут выполнять роль фотоприемников. Характерной осо­

бенностью этих приборов .является наличие высокого коэф­

фициента внутреннего усиления, что обеспечивает и высокую

чувствительность. Однако эти фотоприемники отличаются по

сравнению с фотодиодами большей инерционностью и конст­ руктивной сложностью.