Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Разновидности быстродействующих фотодиодов.




1. P-i-n фотодиоды. Эти фотодиоды имеют трехслойную структуру. В этой структуре между высоколегированными р+ и n+ областями располагается слой Si – собственной проводимости (рис 4.9).

При приложении к такому диоду обратного напряжения ООЗ распространяется на всю i-область, и в ней появляется сильное электрическое поле Евн. Из-за малой толщины р+- слоя основная часть излучения поглощается в i-области. При этом внутреннее электрическое поле очень быстро разделяет генерированные фотоносители.

Рис. 4.9

Это определяет очень малые рекомбинационные потери фотоносителей, т.е. высокую эффективность преобразования. На длине волны l = 0,9мкм для этих диодов практически достигается теоретический предел SI = 0,7А/вт. При этом такие фотодиоды обладают высоким быстродействием (tп = 10-8 … 10-11с). Это связано с тем, что инерционность в основном определяется временем дрейфа, а не диффузии. Кроме того, из-за сверхширокой ООЗ барьерные емкости p-i-n структуры малы.

К недостаткам этих диодов можно отнести то, что собственный кремний (i-слой) более подвержен неконтролируемым изменениям свойств, чем легированный, и поэтому p-i-n фотодиоды имеют недостаточную воспроизводимость параметров. Кроме того, i-слой обусловливает повышенное значение обратного тока, который к тому же является температурозависимым параметром. Плохо также то, что технологически p-i-n структура не совмещается с интегральными схемами.

Для создания p-i-n фотодиодов, применяемых при l=1,06 мкм, используются структуры с боковым освещением. Эти фотодиоды эффективны при работе с узкими лучами (излучение лазера, стыковка со световодом).

2. Фотодиоды с барьером Шоттки. Как известно, барьер Шоттки – это выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки образуется в месте контакта полупрозрачной пленки золота Аu­ и низколегированной области n-типа (рис. 4.10). Пленка сернистого цинка ZnS является одновременно просветляющим покрытием и защитным слоем.

Как и в p-i-n структуре ООЗ при приложении обратного напряжения распространяется на всю низкоомную n-область. По сравнению с p-i-n фотодиодами эти структуры обладают меньшим последовательным сопротивлением, так как слой Аu имеет меньшее сопротивление, чем р+- слой p-i-nструктуры.

Рис. 4.10

Кремниевые фотодиоды с барьером Шоттки используются в основном на на длине волны l = 0,63 мкм. При быстродействии tпер=10-9 … 10-11с в этих фотодиодах SI=0,5А/Вт.

Основные достоинства этих приборов: возможность создания фотоприемников практически на всех материалах оптоэлектроники (пока практически используются лишь Si, Ge и GaAs);стандартная планарная технология; технологическая и физическая совместимость этих структур с интегральными микросхемами.

3. Гетерофотодиоды. Они представляют собой один из наиболее быстроразвивающихся классов фотоприемников. Структура и зонные диаграммы этих приборов приведены на рис. 4.11.

Рис. 4.11

Высоколегированный слой p+ – GaAlAs имеет DE3 больше, чем другие слои на 0,4эВ. Он играет роль широкозонного окна, т.е. оптически прозрачен для падающего излучения, которое полностью поглощается в средней низколегированной n-GaAs-области. Структура зонной диаграммы обеспечивает беспрепятственный перенос генерированных фотоносителей в соседние области. Высокая степень чистоты активной области, низкая плотность дефектов обеспечивают малые рекомбинационные потери. Поэтому гетерофотодиоды при исключительно высоком КПД обладают, как и выше рассмотренные структуры, высокой чувствительностью и высоким быстродействием (tпер= 10-8…10-10с).

Кроме того, при выборе подходящих материалов гетероструктура позволяет работать практически в любой части спектра. Это обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей в ширине запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения. Важнейшим достоинством этих фотодиодов является их технологическая совместимость с диэлектрическими волноводами оптических интегральных схем. Кроме того, из-за хороших возможностей выбора материала базы достижимое значение фото ЭДС у гетерофотодиодов 0,8…1,1 В (в 2…3 раза выше, чем у Si фотодиодов). Главный недостаток этих приборов – сложность изготовления гетероструктур.

4. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Известно, что при увеличении обратного напряжения на p-n переходе до величины близкой к пробивному, носители заряда в ООЗ приобретают высокие скорости и способны ионизировать атомы кристаллической решетки, т.е. образовывать новые электронно-дырочные пары. При этом процесс нарастания носителей а, следовательно, и тока, носит лавинный характер. Этот же механизм действует и на фотоносители, т.е. происходит усиление первичного фототока.

Это усиление в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения

.

При этом выходной ток фотодиода равен:

Iф=M(Iфо+Iо).

Коэффициент лавинного умножения зависит от приложенного напряжения и описывается формулой Миллера:

,

где n=2…6, зависит от типа материала, а Um – от ширины ООЗ т. е. от степени легирования (Um=10…100В).

Лавинные фотодиоды перспективны для обнаружения слабых оптических сигналов. Однако М очень зависит от напряжения. В связи с этим, для поддержания 10% стабильности М, необходимо стабилизировать питающее напряжение с точностью 0,01%. Кроме того, напряжение лавинного пробоя увеличивается с ростом температуры приблизительно на 1мВ/°С, и для стабильной работы фотодиода необходимо либо поддерживать температуру стабильной, либо создавать источники питания, у которых напряжение с ростом температуры увеличивается по такому же закону, как напряжение лавинного пробоя Um фотодиода.

Следует отметить, что умножение фотоносителей в ЛФД тем сильнее, чем меньше темновой ток. Поэтому при использовании кремниевых и арсенидгаллиевых полупроводников коэффициент М”103…104, а при использовании германиевых - М”102. Заметное умножение фотоносителей получается лишь при малых уровнях облученности ЛФД. Для ЛФД характерны следующие параметры: S =100A/Вт, tпер=10-8…10-11сек.

В волоконно-оптических средствах передачи информации (ВОСПИ) в основном применяются p-i-n фотодиоды и ЛФД. При этом для p-i-n фотодиодов с длиной волны 0,8…0,9 мкм используется кремний, с длиной волны 1,0…1,1 мкм – германий, а с длиной волны 1,2…1,6 мкм–германий, JnGaAs, JnGaAsP. Для лавинных фотодиодов с длиной волны 0,8…0,9 мкм применяется кремний, с длиной волны 1,0…1,1 мкм - кремний, германий, а с длиной волны 1,2…1,6 мкм - германий, AsGa, AsSb.







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 2357. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.003 сек.) русская версия | украинская версия