Лабораторная работа 4

ИЗМЕРЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОДИОДОВ

4.1. Цель работы

Измерение и расчет основных параметров чувствительности фотодиода.

4.2.Теоретическое введение

4.2.1.Фотодиоды и их вольтамперные характеристики

Основным элементом фотодиода (ФД) является p – n-переход. При освещении ФД происходит генерация электронно-дырочных пар, при этом электрическое поле перехода разделяет неравновесные носители заряда. Ток, образованный этими носителями, совпадает по направлению с обратным током p – n-перехода. ВАХ p – n-перехода при освещении можно записать в виде:

где Uпр – прямое непряжение; q – заряд электрона;

Iнас – ток насыщения; Iф- фототок.

При достаточно больших напряжениях формула (4.1) принимает вид:

где c = αw – безразмерный коэффициент, характеризующий долю излучения, поглощенного в базе;

w– ширина базы фотодиода, мкм;

α– коэффициент поглощения света;

η – число электронно-дырочных пар, образованных одним квантом света;

27

S – площадь светоприемной поверхности, мм2; Φ – световой поток, лм.

Таким образом, ток не зависит от напряжения, а определяется только световым потоком.

Диод как фотоприемник применяется в двух режимах: фотодиодном и режиме генерации фото-ЭДС (вентильном) (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схемы включения диода в фотодиодном (а)

ивентильном (б) режимах

Впервом случае на диод подается обратное напряжение, тогда ток через структуру является функцией интенсивности света. Во втором случае p – n-переход сам используется в качестве источника ЭДС или тока. Структурная схема фотодиода и его ВАХ (формула (4.1)) показаны на рис. 4.2.

Рис. 4.2. ВАХ фотодиода (а) и его структурная схема (б)

Ширина базы фотодиодов меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда (w < Lр), поэтому большая часть генерируемых светом неосновных носителей доходит до p – n-перехода. Потери избыточных носителей происходят вследствие рекомбинации их в объеме базы и особенно на ее поверхности. Например, при скорости поверхностной рекомбинации s → ∞ избыточные носители диффундируют как в сторону р – n-перехода, так и в сторону поверхности, т. е. число носителей, достигающих р – n-переход, уменьшает-

28

ся вдвое. Поэтому необходимо максимально уменьшать s. Более полное скопление неравновесных носителей по сравнению с плавными переходами происходит в диффузионных переходах, в базе которых внутреннее электрическое поле ускоряет движение неосновных носителей к р – n-переходу.

4.2.2. Монохроматическая чувствительность фотодиода

При использовании фотодиода в качестве приемника излучения вводят параметр монохроматической чувствительности Siλ. Потери излучения обусловлены отражением света от поверхности полупроводника, а потери генерированных носителей заряда учитывает коэффициент собирания ϕ, который определяет ту часть носителей, которая разделяется р – n-переходом и создает фототок. Монохроматическая чувствительность перехода определяется выражением:

где R – коэффициент отражения.

Если в фотодиоде есть защитное окно, то необходимо правую часть формулы (4.3) умножить на коэффициент пропускания окна. Для увеличения чувствительности фотодиода можно использовать эффект лавинного умножения в области объемного заряда р – n-перехода.

4.2.3. Спектральная характеристика фотодиода

Спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиодов имеют вид, представленный на рис. 4.3.

Si,

Рис. 4.3. Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов

29

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы, где время жизни неосновных носителей заряда (τэф) мало и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р – n- перехода. Следовательно, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая s и w, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительности в сторону меньших λ.

Вид спектральной характеристики фотодиода определяется в основном зависимостью коэффициента собирания ϕ от длины волны. Значение ϕ определяется структурой фотодиода, диффузионной длиной неосновных носителей Lp, коэффициентом поглощения света α, шириной запрещенной зоны полупроводника Eg.

Для повышения чувствительности в длинноволновой области спектра необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей в исходном материале. Повышение коротковолновой границы фоточувствительности можно обеспечить созданием объемного заряда вблизи поверхности фотоприемника, например, в поверх- ностно-барьерных структурах. Изменение чувствительности и сдвиг максимума спектральной характеристики происходят при переходе от вентильного режима работы к фотодиодному за счет расширения области объемного заряда и увеличения эффективности собирания носителей. Применение специальных покрытий дает возможность уменьшить коэффициент отражения R до 5...10 %, а следовательно, увеличить чувствительность.

Зависимость спектральных характеристик от температуры определяется главным образом температурной зависимостью коэффициента собирания. Температурные изменения оказывают влияние на коэффициент поглощения света, ширину запрещенной зоны полупроводника, диффузионную длину неосновных носителей.

4.2.4. Технология изготовления фотодиодов

Фотодиоды на основе твердых растворов AlGaAs и AlGaInP, получают методами жидкофазной и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений соответственно.

30

При жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) подложку GaAs заливают расплавом шихты, содержащей необходимые примесные компоненты. По завершении процесса эпитаксиального роста расплав убирают, а на подложке остается эпитаксиальная пленка синтезируемого соединения. Основной особенностью этого метода является наличие температурного градиента между источником и подложкой. Градиент температуры приводит к возникновению градиента концентрации компонента расплава по мере удаления от подложки, что в данном случае является основой процесса кристаллизации. Использование указанного метода позволяет получить эпитаксиальные слои AlGaAs (рис. 4.4) большой толщины (100 мкм), обладающие высоким структурным совершенством.

n

p1

p1

Рис. 4.4. Схематическое изображение гетероструктуры на основе AlGaAs

Для получения фотодиодов на основе AlGaInP методом газофазной эпитаксии используют подложку GaAs толщиной 250 мкм.

Слой n1 – InGaAlP – буферный слой, получают эпитаксиальным выращиванием на подложке GaAs. Значения состава буферного слоя подбирают таким образом, чтобы обеспечить наименьшее рассогласование постоянных решетки подложки (0,5653 нм) и активного

слоя. Толщина буферного n1-слоя составляет 5 мкм, концентрация донорной примеси n = 1017 см–3.

Над буферным слоем выращивают активный слой р – InGaP,

толщиной 1 мкм. Концентрация акцепторной примеси в нем –

1016 см–3.

На активном р-слое выращивают слой n2 – InGaAlP, толщиной 10 мкм. Концентрация донорной примеси в этом слое 5 1018 см–3.

Инжекция электронов – неосновных носителей заряда в активную область идет из буферного n1-слоя. Все твердые растворы прямозонные. Ширина запрещенной зоны составляет для буферного слоя – 2,09865 эВ, а для активного слоя – 2,18332 эВ (рис. 4.5).

31