2015-05-05
425
Световой поток, падающий на поверхность фотодетектора, частично отражается от его поверхности, частично поглощается в объеме полупроводникового материала и частично проходит через фотодетектор, не поглощаясь в его объеме. Все, что отражается от поверхности фотодетектора или проходит через детектор без генерации электронно-дырочных пар не дает увеличения фототока во внешней электрической цепи. Поэтому создание эффективных антиотражающих покрытий на поверхности фотоприемника и покрытий, отражающие световой поток от обратной поверхности фотодетектора является чрезвычайно актуальной задачей.
В общем случае в фотодетекторе протекают три основных процесса: 1) генерация носителей заряда под действием внешнего светового излучения; 2) перенос носителей или их умножение за счет того или иного механизма усиления тока, характерного для данного полупроводника; 3) взаимодействия тока с внешней цепью, обеспечивающее получение выходного сигнала. Фотодетекторы играют важную роль в волоконно-оптических связи в области ближнего инфракрасного диапазона (0.8-1.6 мкм). Они детектируют оптические сигналы, т.е. преобразуют изменения интенсивности излучения в электрические сигналы, которые соответствующим образом усиливаются и подвергаются последующей обработке.
|
|
|
Скорость генерации электронно-дырочных пар под действием светового потока на расстоянии x от границы полупроводниковой пластины пропорциональна интенсивности светового потока, коэффициенту поглощения света в этом материале, зависящим от длины волны светового потока α (λ), умноженных на коэффициент ослабления потока, который дается законом Бугера-Ламберта-Бера:
, (79)
где Φ – поток фотонов, проникающих в объем полупроводника, Φ 0 – поток фотонов, падающий на поверхность полупроводника, Rs – коэффициент отражения света от поверхности фотодетектора, α – коэффициент поглощения света в полупроводнике.
Все величины, входящие в выражение (79) зависят от длины волны квантов светового потока. Соответственно, уравнения непрерывности (36)-(37) для n - и p -квазинейтральных областей фотодиода имеют вид:
(80)
, (81)
решения которых позволяют найти распределения носителей заряда в разных областях фотодиода с последующим нахождением плотностей токов с использованием подходящих граничных условий. В качестве одного из граничных условий можно принять равенство нулю концентраций носителей заряда на границах обедненной зоны pn -перехода.
Уравнения (80)-(81) следует дополнить граничными условиями, чтобы получить однозначное решение соответствующей краевой задачи. Одним из условий является равенство нулю избыточной концентрации неосновных носителей заряда на границах обедненной области p-n -перехода. На противоположных, по отношению к границам области пространственного заряда, вводится следующие граничные условия:
|
|
|
, (82)
где S 1 – скорость поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда на фронтальной поверхности фотодиода, S 2 – скорость поверхностной рекомбинации на его тыльной поверхности.
Скорость поверхностной рекомбинации имеет размерность [см/c], т.е. имеет смысл скорости носителей заряда. Эта скорость, умноженная на избыточную концентрацию, представляет собой плотность рекомбинационного тока (т.е. скорость уничтожения избыточной концентрации носителей заряда за счет рекомбинации на структурных дефектах поверхности). Этот рекомбинационный ток, очевидно, должен быть равен диффузионному току неосновных носителей заряда на рассматриваемой границе.
При наличии фототока, протекающего в объеме полупроводникового диода, вольтамперная характеристика (77) последнего меняется:
, (83)
т.е. фототок аддитивно добавляется к вольтамперной характеристике полупроводникового диода.
Факт независимости фототока от напряжения смещения, приложенного к фотоприемнику, составляет принцип суперпозиции фототока и вольтамперной характеристики фотоприемника.
