Фотодиоды с барьером Шоттки

Фотоприемники с поверхностным барьером Шоттки также обладают высоким быстродействием и эффективностью. Барьеры на контакте металла с полупроводником могут быть получены и на полупроводниковых материалах, в которых невозможно создать р-n переходы. Если электронный полупроводник контактирует с металлом, у которого работа выхода меньше работы выхода полупроводника, то определенное число электронов переходит из полупроводника в металл. Ионизированная донорная примесь в полупроводнике образует слой положительного пространственного заряда, обладающий высоким сопротивлением. При включении диода в обратном направлении ширина ОПЗ увеличивается.

Излучение направляют сквозь полупрозрачную пленку металла (слой Au пропускает 95% потока излучения с λ = 0,63 мкм). Если d >х*, основная часть излучения поглощается в ОПЗ. Возникающие электронно-дырочные пары быстро разделяются полем и время пролета носителей может быть очень малым (10^-11-10^-10 с). Таким образом, фотодиод с барьером Шоттки является аналогом p-i-n фотодиода в коротковолновой части спектра, когда все излучение поглощается в ОПЗ. В этих фотодиодах с уменьшением длины волны излучение также поглощается в слое пространственного заряда, но ближе к металлу.

Рис. 17. Структура фотодиода с барьером Шоттки.

По сравнению с p-n переходами сопротивление диодов Шоттки намного меньше, поэтому время перезарядки мало и инерционность обусловлена только временем пролета носителей через область пространственного заряда. Величина τ может быть порядка 10^-10-10^-11 с, что позволяет использовать фотодиоды при СВЧ модуляции излучения. Чувствительность диодов достигает 0,5 А/Вт.

Достоинства фотодиодов с барьером Шоттки: высокая чувствительность и быстродействие, совместимость с технологией ИС.

Гетерофотодиоды

Гетерофотодиоды являются перспективными фотоприемниками, сочетающими высокую чувствительность и быстродействие. Для изготовления фотодиодов используют гетероструктуры на основе соединений А³В⁵. Типичная структура гетерофотодиода показана на рис. 18. В ней создаются две области: широкозонное окно и фоточувствительный р-n переход. Окно из широкозонного сильнолегированного полупроводника обеспечивает малое сопротивление и высокую прозрачность для принимаемого излучения, которое поглощается в слое узкозонного полупроводника, толщина р-слоя обычно соответствует длине поглощения излучения.

Рис. 18. Расположение слоев в гетерофотодиоде.

Процессы поглощения излучения и разделения фотоносителей в гетерофотодиодах аналогичны явлениям, происходящим в p-i-n фотодиодах и фотодиодах с барьером Шоттки. Их инерционность также определяется временем пролета носителей через область пространственного заряда.

Достоинства гетерофотодиодов: высокое быстродействие и фоточувствительность при малых рабочих напряжения, высокие значения фотоЭДС, КПД, близкий к 100%. меньшие, чем у обычных фотодиодов, темновые токи и шумы.

В то же время используемые материалы являются более дорогими и технология изготовления более сложная.

Лавинные фотодиоды

В лавинных фотодиодах происходит усиление первичного фототока вследствие лавинного умножения неравновесных носителей в сильном электрическом поле слоя пространственного заряда р-n перехода при условии, что ширина ОПЗ превышает длину свободного пробега носителей заряда.

Введение внутреннего усиления, воздействующего и на сигнал и на шум, приводит к возрастанию отношения сигнал/шум при условии, что усиленный шум фотоприемника меньше шумов входного каскада усилителя, поэтому лавинные фотодиоды имеют преимущества перед p-i-n фотодиодами в условиях приема слабых, минимально различимых сигналов.

Оптимальной структурой кремниевых лавинных фотодиодов является n-p-i-p структура, или ЛФД с проникновением (проколом):

Рис. 20. Простая геометрическая модель лавинного фотодиода.

В этом случае максимальное значение напряженности электрического поля Emax, достаточное для возникновения и поддержания лавинного размножения, создается в n⁺-p переходе. Фотоносители быстро вытягиваются из i-области и размножаются в р-области.

Изготовление лавинных фотодиодов производится с использованием обратной эпитаксии, аналогично технологии изготовления p-i-n фотодиодов.

Рис. 21. Структура лавинного фотодиода.

Основные достоинства лавинных фотодиодов: большое усиление, высокое быстродействие и малые шумы. Поэтому эти фотоприемники широко используются в ВОЛС. К недостаткам лавинных фотодиодов следует отнести, во-первых, зависимость коэффициента умножения от интенсивности света и соответствующее нарушение линейности зависимости I(Ф), во-вторых, высокие требования к стабильности питающего напряжения (0,01-0,02%), поскольку коэффициент умножения сильно зависит от напряжения.

Фототранзисторы

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором – часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной. При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.

Рис. 23. Эквивалентная схема фототранзистора.

Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная и продольная. Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию и технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своим функциональным параметрам.

Рис. 24. Структура поперечного (а) и продольного (б) фототранзисторов.

Достоинства фототранзисторов: наличие механизма внутреннего усиления, т.е. высокая фоточувствительность, схемотехническая гибкость, связанная с наличием третьего электрода. Основные недостатки: ограниченное быстродействие и температурная зависимость параметров.

МДП–фототранзисторы

МДП–фототранзистор представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, в котором поглощаемый в подзатворной области световой поток приводит к изменению проводимости канала между истоком и стоком. Вызванное светом увеличение тока приводит к изменению порогового напряжения и крутизны передаточной характеристики. Электрод затвора должен быть изготовлен из прозрачного или полупрозрачного материала. МДП-фототранзистор, таким образом, является аналогом фоторезистора, но может быть использован в любом режиме подзатворного канала: обогащении, обеднении, инверсии.

Рис. 25. Структура МДП-фототранзистора.

При использовании в качестве фотоприемников МДП-транзисторов их целесообразно применять в сочетании с фотодиодом на основе p-n перехода. Технологически фотодиод и МДП-транзистор изготавливаются на одной пластине полупроводника и фотодиод подключается к истоку и затвору. Так как ток через затвор не протекает, то фотодиод работает в режиме генерации фотоЭДС.

При одновременном освещении p-n перехода и МДП-транзистора меняется как напряжение отсечки, так и фотонапряжение p-n перехода. Фото ЭДС p-n перехода изменяет потенциал затвора, поэтому изменяется ток в цепи исток-сток.

Рис. 26. Структура (а) и эквивалентная схема (б) МДП-транзистора с фотодиодом на основе p-n перехода.

МДП-фототранзисторы являются удобными фоточувствительными элементами для создания многоэлементных фотоприемников.

Лекция 16