p-i-n-ФОТОДИОДЫ

         

Принципиальное устройство ГФТ


Принципиальное устройство ГФТ показано на рис. 1( его зонная диаграмма эмиттер — база — на рис. 55. Заштрихованной показана так называемая легированная плоскость, которая пред­ставляет собой тонкий (~0,1 мкм) сильно легированный акцепто­рами (Nа~1О11 см-2) слой, вводимый при резком гетеропереходе для снижения рекомбинационных потерь на границе раздела ба­за — эмиттер. Широкозонный гетероэмиттер является прозрачным окном для излучения, поглощаемого в относительно узкозонной базе. Наличие пичкового потенциального барьера Dxc для неос­ковных носителей базы на границе гетероперехода позволяет не­зависимо выбирать уровни легирования эмиттера Na и базы Ns так, чтобы N3<<N6, разделить области поглощения    и    переноса.

При этом удается достигнуть практически максимальной доб­ротности фотоприемника (— 100 ГГц) при G>100. Гетерофототранзистор — двухполюсный при­бор, который не имеет подклю­ченной базы.

Как высокодобротный фотоприемник ГФТ является альтерна­тивой лавинным фотодиодам, отличающейся большей технологич­ностью и менее жесткими допусками на разброс его параметров, в том числе напряжения смещения. По Ропор ГФТ существенно (на порядки величин) уступает лавинным фотодиодам. Однако для ин­тегрально-оптических схем этот параметр в ряде случаев не яв­ляется критичным.

Схема включения ГФТ соответствует схеме с общим эмитте­ром, для которой

где vб , v3 — средние скорости электронов около эмиттерного края базы и дырок около базового края эмиттера соответственно; 5vб/vз<50; Dxv= q(Up—Un)=DEg—DxC— скачок потенциала валентной зоны на границе гетероперехода; Dxс — скачок потен­циала для зоны проводимости на границе гетероперехода; DEg = = ЕЭ—Еб — разница ширины запрещенных зон эмиттера и базы (рис. 55). Из выражения  следует, что для получения больших G при Nэ/Nб<<1 и Vб/Vэ<50 необходимо выбирать гетеропары, у которых Dxc/Dxc велико и Dxv>>kT. Для AlxGa1-x As/GaAs при x = 0,28 Dxс=0,3 эВ, а Dxv = 0,053 эВ  (~2 kT при T=300° С).


При комнатной температуре такой гетеропереход дает сравни­тельно небольшой выигрыш в G, что вынуждает повышать уровень легирования эмиттера вплоть до NЭ=1017 см-3. Эффективность ге­тероперехода значительно возрастает, если он плавный. Плавный гетеропереход получают, задавая x=var у перехода. При этом G возрастает примерно в exp (Dxc / kT) раз, что позволяет получать коэффициенты усиления фототока 300—600 при задержке >50 пс.

У гетеропары Gax In1-x_P/GaAs при x=0 величина ступеньки Dxv= 0,29 эВ (~11 kT), а   Dxс=0,16 эВ, что позволяет практиче­ски нелегировать эмиттер. Могут быть также использованы струк­туры InGaAsP/InP, в которых в качестве широкозонного эмиттера используется фосфид индия. У двух последних пар в гетерофототранзисторах наблюдается значительный темновой ток, что прак­тически исключает их применение в качестве низкопороговых ско­ростных  фотоприемников.  Высокий  уровень    легирования    базы (Nб = IO18—1019 см~3)' позволяет получать объемное время жизни неосновных носителей t0>1 пс. При этом поле в базе Еб = Dxв /qWб=  104 В/см, что превышает пороговые значения для GaAs и InP. При таких полях перенос носителей происходит поч­ти баллистическим путем при Vб= (1,5—2,5) • 107 см/с. При низких уровнях легирования эмиттера снижается его емкость СЭ=N1/2Э, что адекватно снижению уровня шумов приемника. Чтобы при этом не возрастало последовательное сопротивление эмиттера, его толщину уменьшают до нескольких десятых долей микрометра.

Гетерофототранзистор — весьма сложная многослойная струк­тура. Однако она типичная для большинства скоростных высоко­чувствительных приемников с вертикальной топологией.

В любой из приведенных на рис. 54 структур коэффициент усиления фототока в соответствии с (63) определяется соотноше­нием



— первичный фототок, обусловленный поглощением    в    активной области прибора доли излучения P0 ,





Здесь hв — квантовый выход внутреннего фотоэффекта; W — тол­щина активной области; а=1/а — длина поглощения. По опреде­лению первичный фототок (65) равен току фотодиода, у которого коэффициент собирания равен hв. Полоса пропускания фотоприем­ника, ограниченная его инерционностью по выходной электриче­ской цепи, Df=l/2ptp, где tp — время релаксации, зависящее от объемного t0, поверхностного времени жизни носителей фототока, площади фотоприемника, его конструкции. Для линейной кинети­ки фототока, когда tн=tс=tЭф=tp, tp = 0,35/Df, где tp = t3 определя­ется как время нарастания (или спада) импульса фототока в пре­делах от 0,1 до 0,9 его установившегося значения.



В структуре прибора всегда есть размер в направлении движе­ния носителей, который ограничивает его быстродействие време­нем пролета:



где Vд max<(1—3)Vt=107—108 см/с. Из (66) следует, что для по­лучения малых tnp необходимо сокращать критические длины, увеличивать поля в активной области прибора и выбирать мате­риалы с большой подвижностью носителей. При этом инжектиро­ванные излучением носители должны иметь большую подвиж­ность.

В общем случае tпр определяется как дрейфом, так и диффузи­ей носителя. Последняя составляющая появляется тогда, когда излучение поглощается также вне активной области сильного поля. В диодных структурах это означает генерацию электронно-дырочных пар вне области пространственного заряда (ОПЗ). При этом [58] tпр=[WOПЗ +2(Lп + Lр)]/Vднас где Ln , Lp — диффузионные длины неосновных носителей в нейтральных р- и n-областях при­бора соответственно; VДНАС — средняя дрейфовая скорость насыще­ния, определяемая скоростями носителей обоих знаков. Для боль­шинства материалов, применяемых в быстродействующих фото­приемниках,  VДНАС = VРНАС =VДНАС.

В выражении tP=tnp + tCX составляющая   схемной   релаксации tCX= (Rн+Rg)Cg ; Cg, Rg — полные емкость и последовательное со­противление приемника; Rн — сопротивление нагрузки.  При мик­роминиатюризации фотоприемников, что характерно для фотопри­емников интегрально-оптических   схем,   время    tcx   уменьшается. Конструкция  фотоприемника должна быть такой, чтобы выполня­лось неравенство tСX<tnp. Такой оптимизированной диодной струк­турой является р—i—n-диод, в котором область    сильного    поля расширена за счет i-области. В режим истощения при напряжени­ях  смещения   UCM>W2i /2ee0m0r,  Wi=Wt.  Если  при  этом   Won3=1/а, то при фронтальном возбуждении практически все излучение будет поглощаться в области сильного поля диода. Таким об­разом, при h= 0,8—0,9 размеры i-области оказываются тем мень­ше, чем больше коэффициент поглощения излучения а в данном материале. В соответствии с этим для p=Si с р=104 Ом-см в ди­апазоне  l=0,8—0,9 мкм  толщины   Wi = 20—50  мкм  при   Won3 = = 10—20 мкм и Uсм = Uис = 5 В. При этом tр <150 нc и уменьшается с ростом напряжения смещения до единиц наносекунд при UCM =  100 В.



Диапазону длин волн 0,9—1, 6 мкм соответствуют материалы AiiiBv, в частности n-- lnP, -InGaAs, -InGaAsP, для которых условие Wi=1/a при R выполняется уже при толщинах 3— 10 мкм. У этих материалов наблюдаются и самые высокие по­движности носителей, достигающие при комнатных температурах 104 см3/В с. (mn =12600 см2/В с, n- Ino,53Gao,47As, lо=1,3мкм). Для приемников излучения на l<0,9 мкм, в частности на l=0,82 мкм, широко используется GaAs, AlGaAs, для которых хо­рошо отработаны технологии получения практически всех типов скоростных фотоприемников. Ниже приведены некоторые значения параметров арсенида галлия, достаточные для расчета характе­ристик фотоприемников на его основе [58].



   Плоскостной фотодиод

Эти фотодиоды, в которых поглощение происходит в основ­ном вне обедненного слоя и, следовательно, постоянная вре­мени определяется диффузией носителей. Если предположить, что толщина обедненного слоя мала и большая часть актов об­разования пар носителей заряда происходит вне этого слоя, то можно провести такой же расчет, как и в предыдущем параг­рафе. Но теперь временная задержка будет определяться диф­фузией [формула (13.5)] и мы получим следующее выражение для полосы пропускания:



где по-прежнему е=1/а(l). В случае промежуточных струк­тур, в которых имеются градиенты концентраций, или при пло­хом согласовании фотоприемника с рабочей длиной волны по­лоса пропускания будет лежать в пределах



В тех случаях, когда рабочая длина волны и круговая ча­стота модуляции известны заранее, следует одновременно опти-



мизировать и чувствительность и полосу пропускания. На рис. 13.7 приведена зависимость граничной частоты фотодиода от требуемой спектральной области.


Содержание раздела