Фотодиоды Шоттки.

Фотодиоды со структурой металл — полупроводник (фотодиоды Шоттки) также по­зволяют повысить быстродействие до 10^-10 с и выше. Ка­чественный контакт между металлом и полупроводником путем их простого соприкосновения невозможен. Реальные контакты металла и полупроводника в настоящее время создают методом напыления металла на полупроводник в вакууме.

Структура и свойства контакта металл — полупровод­ник прежде всего зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле (φFm) и полупроводнике (φF). На рис. 2.19,а приведены зонные диаграммы такой струк­туры для случая, когда уровень Ферми металла выше уровня Ферми полупроводника (φF_m > φF ). Это контакт металла с полупроводником р-типа. Разница в уровнях Ферми означает, что вероятность заполнения одного и того же энергетического уровня в металле выше, чем в зоне проводимости полупроводника. Поэтому заполнение зоны проводимости полупроводника электронами меньше, чем той же области энергий в металле. При образовании структуры металл — проводник часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление избыточ­ных электронов в приповерхностном слое полупроводника вызывает дополнительную рекомбинацию, количество ды­рок уменьшается, и на границе металл — полупроводник образуется объемный отрицательный заряд ионов — акцеп­торов. Появляется электрическое поле, которое препятству­ет перемещению электронов и обеспечивает динамическое равновесие в области перехода.

Рис. 2.19. Энергетические диаграммы перехода металл—полупроводник:

а — переход металл — полупроводник р-типа; б — переход металл — полупроводник n-типа

На рис. 2.19,6 показаны -зонные диаграммы для случая (φF_m < φF )— контакт металла с полупроводником п-типа. При образовании контакта электроны переходят из полу­проводника п-типа в металл. Соответственно вблизи гра­ницы металл — полупроводник создается объемный заряд положительных ионов-доноров и электрическое поле.

Энергетические уровни вблизи поверхности полупровод­ника искривляются. Степень искривления уровней харак­теризуется поверхностным потенциалом φS — разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупровод­ника. В равновесном состоянии (в отсутствие внешнего напряжения и оптического излучения) имеем равновесный поверхностный потенциал φSо (рис. 2.19). Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φSо является аналогом внутреннего потен­циального барьера в р-п 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 (рис. 2.20,6), приконтактный слой обогащается основными носителя­ми — электронами и сопротивление перехода металл — по­лупроводник будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения U₀бр (минус к металлу, плюс к n-полупроводнику), то потенциальный барьер в контакте повышается (рис. 2.20,в). Тогда приконтактный «слой еще сильнее обедняется основными носителями — электронами и будет иметь место повышение сопротивле­ния по сравнению с равновесным. Таким образом, контакт металл — полупроводник обладает выпрямляющими свой­ствами и может быть основой диодов. Диоды на основе перехода Шоттки называются диодами Шоттки.

Характерной чертой диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-п переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки, как говорят, «рабо­тают на основных носителях», и в них отсутствуют отно­сительно медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода. Однако для фотодиодов Шоттки этот факт практически не имеет значения, так как они работают не при прямом напря­жении.

С точки зрения применения контакта металл — полу­проводник в фотодиодах следует подчеркнуть такие основ­ные особенности. Во-первых, в фотодиоде с барьером Шоттки появляется возможность поглощения квантов излучения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, в метал­ле контакта. При этом, 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 Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн.

Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фо­тоносители. В фотодиоде с р-п переходом при малой глу­бине поглощения фототок практически равен нулю. Сле­довательно, коротковолновая граница спектральной харак­теристики фотодиода Шоттки расположена при более ко­ротких волнах. Вообще спектральная характеристика фо­тодиода на основе контакта металл — полупроводник зна­чительно шире, чем спектральная характеристика фотодио­да с p-n-переходом из того же полупроводника.

Фотодиоды Шоттки характеризуются рядом других примечательных достоинств, важных с точки зрения при­менения приборов в оптоэлектронике:

1) малым сопротивлением базы фотодиода. Поэтому постоянная времени барьерной емкости Сбарrб у фотодио­дов Шоттки порядка 10^-12 с и инерционность этих прибо­ров определяется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (10^-10—10^-11 с);

2) сочетанием высокого быстродействия и высокой чув­ствительности (Sф = 0,5 А/Вт);

3) простотой создания выпрямляющих фоточувстви- тельных структур на самых разнообразных полупровод­никах (в том числе и на таких, в которых не удается со­здать р-п переход) и, как следствие этого, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки.

Фотодиоды с гетероструктурой. Фотодиоды с ге­тероструктурой представляют собой один из наиболее пер­спективных типов оптоэлектронных фотоприемников. В сущности гетероструктура открывает принципиальную возможность получения фотодиода с КПД, близким к 100%. Основные свойства гетероструктуры и гетеропере­хода были изложены в § 1.3. Здесь на примере GаАs— GаА1Аs гетероструктуры рассмотрим особенности гетеро­фотодиодов. Устройство и зонная диаграмма гетерофото­диода изображены на рис. 2.21. Слой GаА1Аs играет роль окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n-области (GаАs). Разница в ширине запрещенных зон по обе стороны от гетероперехода около 0,4 эВ. Генерируе­мые в

n-области под воздействием оптического излучения дырки беспрепятственно переносятся в p⁺-область. Тол­щина активной

n-области выбирается такой, чтобы обеспе­чить поглощение всего излучения. Высокая степень чисто­ты активной области, низкая плотность поверхностных со­стояний границ между слоями обеспечивают малые рекомби­национные потери фотоноси­телей.

Рис. 2.21. Фотодиод с гетеро­структурой:

а— структура;б— энергетическая диаграмма

Таким образом, при исклю­чительно высоком КПД гете­рофотодиоды сохраняют до­стоинства рассмотренных вы­ше структур: сочетание высо­кой чувствительности с высо­ким быстродействием, малые рабочие напряжения.

длина волны определяется

Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары по­лупроводников для фотодио­дов, работать практически в любой части оптического диа­пазона длин волн. Это преиму­щество обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая разницей ширин запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения χо- Вследствие хороших возможностей выбо­ра материала базы достижимое значение фото-ЭДС у ге- терофотодиодов 0,8—1,1 В (в 2—3 раза выше, чем у крем­ниевых фотодиодов). Основным недостатком гетерофотодиодов является присущая вообще гетероструктурам слож­ность изготовления.

Лавинные фотодиоды. Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувстви­тельностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретае­мая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дыроч­ных пар, то начинается лавинообразный процесс размно­жения носителей. Процесс умножения начинается с гене­рации носителей под действием квантов света, т. е. имеем фотодиод с лавинным умножением.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения:

М=1ф/1фо, (2.25)

где Iф —ток на выходе фотодиода с учетом умножения; Iфо — ток при отсутствии умножения.

Рис. 2.22. Вольт-амперные характеристики лавинных фотодиодов

Таким образом, коэффициент лавинного умножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления фототока.

Известно, что коэффициент умножения зависит от на­пряжения на переходе:

М =1/1-( U/U_проб)ᵐ (2.26)

где U_проб — пробивное напряжение; U— напряжение на р-п переходе; т═ 1,5…2 для кремния р-типа; т = 3,4…4 для кремния n-типа.

Тогда вольт-амперную характеристику лавинного фотодиода можно представить в виде

I_ф =I_ф0 /(1-(U/U_проб)ᵐ ). (2.27)

На рис. 2.22 представлены вольт-амперные характери­стики, типичные для лавинного фотодиода.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Более широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудно­стями. Прежде всего эти трудности связаны с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока М резко зависит от напряжения. В самом деле из (2.26) можно получить выражение для расчета относительного изме­нения коэффициента усиления фототока при изменении напряжения на переходе:

dM/M = mM/U• dU(U/U_проб)ᵐ ≈mM•dU/U (2.28)

Очевидно, что нормальная работа фотодиода возмож­на только при достаточно стабильном выходном токе I_ф т. е. при стабильном значении коэффициента усиления М. Пусть мы хотим иметь относительные изменения коэффи­циента усиления не больше 10% (dМ/М=0,1). Тогда для кремниевого фотодиода (m = 3,5; M= 300) получим (dU/U=0,0001 = 0,01 %), т. е. для надежной работы лавин­ного фотодиода необходима очень высокая стабилизация питающего напряжения. Следует также подчеркнуть, что типичные значения U_проб=30…100 В. Это приводит к боль­шим потерям энергии U_пробI_ф в фотодиоде. Развитие про­боя происходит не одновременно по всей площади р-п пе­рехода, а в отдельных «микроплазмах». Это вызывает до­полнительную нестабильность М и увеличивает шумы. Пе­речисленные недостатки в сочетании с разбросом парамет­ров у отдельных образцов ограничивают применение ла­винных фотодиодов.