Гетеропереход

На рис.123а изображены энергетические диаграммы полупроводников n-и p-типов до осуществления контакта. Полупроводник n-типа имеет более широкую «щель», нежели область p-типа, т.е. E_g1 > E_g2. Важными характеристиками пары подобных по-

Рис. 123. Образование гетероперехода

лупроводников является разность энергий «дна» зоны проводимости ∆Е_с=Е_с1-Е_с2 и «потолка» валентной зоны ∆Е_V=Е_g1-E_g2-∆Е_с.

Энергетическая диаграмма гетероперехода в равновесном состоянии изображена на рис.123б. Диффузия основных носителей вызывает появление обеднённых областей l_p и l_p, которые содержат объёмные заряды некомпенсированных ионов доноров и акцепторов. Это приводит к изгибам границ зон вблизи металлургической границы x₀ по тому же механизму, что и в случае с гомопереходом (рис.11), а на самой границе образуются разрывы границ зон ∆Е_с и ∆Е_V. Величины изгибов зон еφ₀₁ и еφ₀₂ определяют внутреннюю разность потенциалов, возникающую в обеднённых слоях (индекс «ноль» указывает в данном случае на равновесное состояние). То есть сумма φ₀₁ + φ₀₂= φ_0к представляет собой внутреннюю контактную разность потенциалов, которая так же, как и в случае с гомопереходом, может быть выражена через уровни ферми в изолированных полупроводниках (рис.123а): φ_0к =(Е_F1-E_F2).

Однако, в случае с гетеропереходом внутренняя контактная разность φ_0к не определяется высотой потенциального барьера, как это имело место у гомоперехода. Как следует из рис.123б, высота потенциального барьера φ_0n для электронов, диффундирующих из n -области в p -область составит: φ_0n = φ_0к-∆Е_с / e, а для дырок, движущихся из p- в n-область φ_0p = φ_0к + ∆Е_v / e. Таким образом, потенциальный барьер для электронов ниже, чем для дырок на величину φ_0p - φ_0n =(Е_g1-E_g2) / е. Поэтому, если бы гетеропереход был бы создан в кристалле выпрямительного диода, то при приложении к нему прямого напряжения имела бы место инжекция (диффузия) практически только электронов, даже если бы концентрация в p -области (базе) была бы не меньше, чем в n -области (эмиттере). Для получения такого же коэффициента инжекции, близкого к единице, в случае с гомопереходом базу приходится легировать значительно в меньшей степени, чем эмиттер. Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.

Приведём параметры гетероперехода между Al_xGa_1-xAs n -типа и GaAs p -типа при х =0,3 (х и 1- х – относительное содержание Al и Ga в кристалличсской решётке) [Шишк95]. Концентрация доноров N _д=10²²м^-3, E_{g 1}=1,8эВ, концентрация акцепторов N _A=10²³м^-3, E _g2=1,42эВ. При этом φ_0к =1,65эВ, φ_0n =1,27В, φ_0p= 1,65В (∆Е_с= 0,38эВ, ∆Е_v 0). Несмотря на то, что N _А N _д, отношение дырочного тока инжекции к электронному порядка exp[- ∆Е_с / (kT)] 10^-6 – т.е. ничтожно мало, и коэффициент инжекции практически равен единице.

Фотодиоды имеют следующие параметры и характеристики. Длина волны, соответствующая максимуму спектральной чувствительности – λ_max, область спектральной чувствительности ∆ λ, находимые по спектральной характеристике, темновой ток I_Т, рабочее напряжение U_Р (либо допустимое обратное постоянное напряжение), угол диаграммы направленности (плоский угол ввода излучения в фотодиод, при котором чувствительность фотодиода составляет не менее половины от её максимального значения), время нарастания и спада фотоответа (либо постоянная времени), интервал рабочих температур.

Рис. 113

Схема включения фотодиода в фотодиодном режиме изображена на рис.113.

Как следует из рис.12, в диодном режиме работы фотодиод является источником тока, поскольку величина фототока почти не зависит от приращений напряжения на его выводах. Поэтому при усилении сигнала фотоответа диода усилителем, имеющем низкоомный вход, фотодиод необходимо включать последовательно с его входом. В этом случае R_н (рис.113) является входным сопротивлением усилителя). В случае использования усилителя с высокоомным входом диод включается параллельно ему, тогда R_н является плечом делителя напряжения источника питания, падение напряжения на котором является входным сигналом усилителя. Величина его сопротивления должна обеспечить максимум входного сигнала усилителя.