Фотодиод с p-n-переходом.

Основное отличие от p-i-n фотодиода состоит в том, что в базе p-n фотодиода имеют место только диффузионные, а не дрейфовые процессы. Отсюда большая инерционность и низкая эффективность собирания носителей при значительной толщине базы, т.е. при работе с ИК–излучением.

На λ > 0,85…0,90 мкм фоточувствительность p-n фотодиода на порядок ниже, чем у p-i-n фотодиода.

Но p-n фотодиоды имеют и важные достоинства.

Они проще в изготовлении, использование низкоомной однородной исходной п/проводниковой пластины обуславливает и повышенную однородность параметров. Это особенно важно при создании многоэлементных, матричных ФП.

В коротковолновой области (λ < 0,55 мкм) различия в собирании носителей зарядов между p-n- и p-i-n-структурами стираются. Основное и исключительно важное достоинство кремниевых p-n фотодиодов заключается в полной совместимости технологии их изготовлении с технологией интегральных микросхем и их низкая стоимость.

Другие разновидности фотодиодов.

Контакт-металл-п/проводник, или барьер Шотки, является эквивалентомp-i-n-фотодиода в коротковолновой области спектра, когда всё излучение поглощается в области пространственного заряда. Для λ≈0,63 мкм (оранжево-красный спектр), формируемого гелий-неоновым лазером, при быстродействии ≈10^-10с. почти достигнут теоретический предел фоточувствительности S_ф≈0,5 А/Вт.На подложке сильнолегированного n⁺ кремния выращивается плёнка высокоомного чистого Si. Затем после создания диффузионных колец р⁺ типа на тщательно очищенную поверхность Si напыляется тончайшая ≈ 0,01 мкм металлическая плёнка (Au, Al, Mo и др.), а поверх её антиотражающие покрытия SiO₂ и ZnS. Металлическая плёнка обеспечивает значительно меньшее последовательное сопротивление, чем обычный р⁺-n переход, также паразитное поглощение коротковолнового излучения в металлической плёнке меньше, чем в р⁺ области из-за резкого различия толщин. В этом решающее преимущество фотодиода с барьером Шотки по сравнению с p-n (или p-i-n) – структурами в коротковолновой области спектра.

Дополнительные достоинства этих приборов связаны с возможностью их простого изготовления методами низкотемпературной технологии на самых разнообразных п/проводниках даже таких, в которых не удаётся получить p-n-переходы.

Фотодиоды на барьере Шотки имеют технологическую и физическую совместимость со структурами интегральной оптики.

Гетерофотодиоды. В конструкции ГФД выделяются две области: широкозонное окно и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без существенных потерь пропускает излучение в активной области и в тоже время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением.

Процессы в активной области – поглощение излучения, накопление генерируемых носителей зарядов – протекают так же, как в кремниевой p-i-n-структуре. Отличие заключается в том, что выбором подходящего п/проводника соединения фоточувствительного слоя удаётся обеспечить полное поглощение излучения при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для Si-p-i-n-структур в длинноволновой ИК области принципиально недостижимо. Для такой структуры при λ≈1,06 мкм толщина i – области должна составлять ≈300 мкм, а рабочее напряжение сотни вольт.

Таким образом, ГФД в некотором роде эквивалент кремниевых p-i-n-диодов в длинноволновой области. Важнейшим достоинством ГФД является также их физическая и технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики. Например, открывается возможность создания универсальных монолитных оптоэлектрических элементов дуплексной связи (двусторонняя связь).

ГФД значительно сложнее в изготовлении, обладают повышенным уровнем шумов.

Свобода выбора материала ГФД обуславливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например U_xx=0,8…1,1В у GaAlAs – структур), высокого значения КПД преобразования (≈100%), меньших чем у кремниевых фотодиодов темповых токов и шумов, расширение температурного диапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации.

МДП – фотодиод, или фоточувствительная МДП – структура, используется в разных электрических режимах. Одна из таких возможностей характерна ФПЗС, где излучение преобразуется в заряд неосновных носителей, который накапливается у границы раздела п/проводник-диэлектрик и при необходимости считывается (переносится вдоль поверхности) благодаря механизму зарядовой связи. Тот же заряд модулирует проводимость приповерхностной области (МДП-канал), что ведёт к изменению выходного сигнала МДП-транзистора или сопротивления МДП - фоторезистора. Зарядовый обмен между полупроводником и диэлектриком вызывают поляризацию диэлектрика, сохраняющаяся длительное время после прекращения излучения, т.е. происходит «запоминание» светового сигнала. При оптических или электрических воздействиях записанную информацию можно считывать соответствующими методами.

Специальные МДП - структуры с очень тонким «тунельно-прозрачным» диэлектриком пропускают электрический ток и по свойствам близким к фотодиодам с барьером Шотки. Такой МДП-фотодиод генерирует токовые сигналы точно так же, как любой другой фотодиод.

Концепция динамического режима породила и ещё более своеобразный МДПДМ-фотодиод, в котором фотоносители, генерируемые в п/проводнике (обычно близком к собственному), пространственно растягиваются под действием приложенного напряжения, но из кристалла не выходят, а могут лишь рекомбинировать. Это позволяет получить значительное усиление фототока подобно тому, как это происходит в фоторезисторах.

МДП-структуры позволяет достигать очень высоких коэффициентов умножения (до М≈10⁵, у обычных ЛФД ≈10²…10³) и создания больших и однородных фоточувствительных площадей (до неск. см²).

Изготовить качественную МДП-структуру значительно сложнее, чем p-n-переход, т.к. p-n-переход создаётся внутри монокристалла, а в МДП-элементе взаимодействуют материалы структурно и химически разнородные.

Достоинства МДП-фотодиодов.

• Функциональная широта. В качестве эквивалента оптической информации в них может выступать: электрический заряд, изменение проводимости канала, поляризация диэлектрика, фото-ЭДС, фотоёмкость, постоянный или импульсный фототок;

• Конструктивно-технологическая гибкость, т.е. возможность варьирования гаммой п/проводников, диэлектриков и металлов, «низкотемпературность большинства технологических процессов, использование монопланарных и тонкоплёночных поликристаллических структур;

• Высокие значения фотоэлектрических параметров, и возможность их изменения в широких пределах. МДП-фотодиоды могут работать и коротковолновой области (как фотодиоды с барьером Шотки), так и в длинноволновой (как p-i-n-структуры); наличие диэлектрика позволяет получать минимальные темповые токи (и как следствие, малые шумы);

• Физическая, электрическая, технологическая совместимость с биполярными, и в особенности с МДП-микросхемами.