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/m_рЕ, (5.29)

где Е – напряженность электрического поля в i-области;

m_р – подвижность дырок;

v_р=m_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 Df»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/m_p=KT/c=j_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 l»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

Фотодиоды Шоттки

Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Фотодиод с барьером Шоттки:

а) структура; б) распределение поля в структуре

На подложке сильно легированного кремния n⁺ выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного полупроводника n-типа. Затем на тщательно очищенную поверхность материала n-типа напыляют тонкую (»0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх неё – антиотражающее покрытие.

Структура и свойства контакта металл-полупроводник зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле (U_FM) и полупроводнике (U_Fпп). На рис. 5.11 показаны зонные диаграммы контакта металл-полупроводник для случая U_FM< U_Fпп.

Рис. 5.11. Зонные диаграммы контакта металл – полупроводник

При образовании контакта электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. При этом вблизи границы металл-полупроводник создается объемный заряд положительных ионов доноров и, следовательно, электрическое поле.

Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом U_пов. Его можно определить разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. При отсутствии внешнего напряжения и оптического излучения переход находится в равновесном состоянии. Это состояние характеризуется равновесным поверхностным потенциалом U_{пов о}. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота U_пово является аналогом внутреннего потенциального барьера в p-n – переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

При приложении прямого напряжения U_пр (положительный по­люс к металлу, отрицательный – к полупроводнику n-типа) потен­циальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается ос­новными носителями - электронами и сопротивление перехода ме­талл-полупроводник будет меньше равновесного. Если изменить по­лярность внешнего напряжения, т.е. приложить к переходу обратное напряжение U_обр (как показано на рис. 5.10, а), то потенциальный барьер в контакте повышается. В этом случае приконтактный слой еще сильнее обедняется основными носителями – электронами и по­вышается его сопротивление по сравнению с равновесным состояни­ем. Таким образом, контакт металл-полупроводник обладает выпрям­ляющими свойствами и может быть основой приборов, называемых диодами Шоттки.

Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с дио­дами на р-n – переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки используют движение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода.

В фотодиодах с барьером Шоттки имеется возможность поглоще­ния квантов излучения в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны). Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потен­циальный барьер. В результате длинноволновая граница спектраль­ной характеристики фотодиода сдвигается в сторону более длинных волн.

В фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область погло­щения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где сущест­вует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-n – переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен ну­лю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной харак­теристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах.

Перспективность применения фотодиодов Шоттки в оптоэлектронике объясняется их следующими достоинствами:

· малым сопротивлением базы фотодиода. Поэтому постоянная времени барьерной емкости C_бар r_Б у фотодиодов Шоттки примерно равна 10^-12 с, а инерционность определяется только временем про­лета фотоносителей через область объемного заряда (10^-10...10^-11) с;

· сочетание высокого быстродействия и высокой чувствительности (S_ф=0,5 А/Вт);

· простотой создания выпрямляющих фоточувствительных структур на самых разнообразных металлах и полупроводниках и, следовательно, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки. В частности, кремневые фотодиоды с барьером Шоттки работают при l=0,63 мкм, имеют быстродействие 10^-10 с и фоточувствительность S₀=0,5 А/Вт;

· хорошей совместимостью с оптическими интегральными микросхемами.

Для продвижения в длинноволновую область повышают удельное сопротивление базовой области и одновременно увеличивают ее толщину, т.е. переходят к структуре m-i-n⁺, где m- означает «металл».