Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 12

При воздействии на ФП с р-п структурой прямоугольного импульса света от GaAs светодиода с максимумом излучения %= =0,91 мкм на выходе ФП наблюдают два участка, характеризующие высокочастотный и низкочастотный механизмы формирования импульса. Излучение с длиной волны Я=0,91 мкм генерирует носители как в области объемного заряда, так и в области коллектора, а процессы переноса носителей в этих областях различны. Участок быстрого роста сигнала, характеризующий высокочастотную часть импульса, определяется временем пролета носителей в области объемного заряда. Низкочастотный участок вызван диффузионными процессами в коллекторе ФП. В фотовольтаическом режиме работы область объемного заряда мала, все излучение поглощается в коллекторе и времена нарастания и спада сигнала, определяемые диф-

Рис.  15. Форма импульса  выходного сигнала ФП с p-i-n структурой   в  зависимости  от  величины обратного смещения.

40 ИМ

_i—I____L

U=Z0B

фузией, довольно велики (300—500 не для ФП на основе высоко-омного Si, размер фоточувствительной площадки 5 мм2).

В фотодиодном режиме работы с увеличением напряжения обратного смещения увеличивается доля носителей, генерируемых в области объемного заряда. Дрейфовые процессы переноса носителей преобладают над диффузионными, и времена нарастания и спада сигнала на выходе ФП уменьшаются (40 не для ФП на основе высокоомного кремния при £/См = 20 В). Для ФП с p-i-n структурой на основе высокоомного кремния эти параметры не превышают 20 не [29]. Толщина /-области этих приборов составляет 20—50 мкм, размеры фоточувствительной площадки 1,2 X 1,2 мм, спектральная чувствительность в максимуме при обратном смещении 5В равна 300—400 мА/Вт. При малых величинах обратного смещения на p-i-n фотодиодах времена нарастания и спада довольно велики (150—200 не) (рис. 15). Причиной этого могут служить диффузионные процессы в высокоомной i-об ласти, так как электрическое поле распространяется не на всю ^-область, а также влияние /?С-параметров прибора. С увеличением обратного смещения времена нарастания и спада достигают 30 не и перестают изменяться. С учетом постоянной времени используемой аппаратуры времена нарастания и спада ФД с p-i-n структурой не ниже 20 не. Для некоторых типов современных кремниевых ФД с p-i-n структурой эти параметры «е превышают 1 не.

Несмотря на сравнительно низкую полосу пропускания рассмотренных ФП с р-п структурой, следует отметить некоторые их преимущества по сравнению с p-i-n структурами. Это, во-первых, их более высокая чувствительность, достигающая в фотовольтаиче-

27

ском режиме при Л, = 0,91 мкм величины 400—500, а фотодиодном— 500—600   мА/Вт;   а   во-вторых,   большая   фоточувствительная   площадка   (5—100 мм2)   Отмеченные параметры дают возможность использовать  их, -когда  требуются   высокая  чувствительность  и  большая фоточувствительная площадка.

Частотная характеристика ФП представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при синусоидально модулированном  световом  сигнале  па  входе. Так же,  как  и  импульс-

ю в мое

0,2 0,5  1   2     5 10 20  50 100МГц о)

U =100в

01

W           10          100 МГц

в)

V 0,9\

«и

ол

щ

10      20

б)

50       100    200МГЦ

Рис.     16.     Экспериментальные частотные    характеристики кремниевого  ФП. а,   б — с    р-п    структурой    (а — ну основе     кремния      р-типа,      б — на основе кремния л-типа);  в — с p-i-n

структурой    (-----------  А,=0,91   мкм,

------ — А=0,6  мкм).

ная, она служит для оценки инерционности приборов По частотным характеристикам определяют критическую частоту ФП, когда амплитуда выходного сигнала составляет 0,7 от ее значения при постоянной засветке. Форма частотной характеристики и критическая частота определяются структурой и параметрами ФП, режимом его работы, а также параметрами источника модулированного излучения (спектральным составом и равномерностью распределения по фоточувствительной площадке). Например, для ФП на основе высокоомного кремния р-типа наблюдается линейная зависимость критической частоты от величины обратного смещения. В качестве источника модулированного света использовался GaAs светодиод с максимумом излучения при Л,==0,91 мкм, работающий в люминесцентном режиме. В фотовольтаическом режиме критические частоты таких ФП составляют 1—2 МГц (рис. 16,а), а в фотодиодном доходят до 200 МГц при обратном  смещении  150 В   (рис.  16,6).

Критические частоты можно повысить, применяя для ФП p-i-n структуры на основе высокоомного кремния. Подобные структуры [30] изготовлялись из высокоомного кремния (р = 1000-^-2000 Ом-см) с толщиной области, равной 60 мкм, и диаметром светочувствительной площадки 1 мм. Критическая частота и форма частотной характеристики этих приборов определяются глубиной проникновения излучения и напряжением обратного смещения.

28

В фотовольтаическом режиме при освещении прибора светом с Л, = 0,63 мкм поглощение происходит в очень тонком, прилегающем к поверхности слое и процессы переноса, а следовательно, и критическая частота определяются диффузией носителей (/крИТ = = 0,4 МГц) (рис. 16,0, пунктирные кривые). С увеличением напряжения область объемного заряда расширяется на весь высо-коомный слой, процессы переноса определяются дрейфом и критическая частота достигает 170 МГц при смещении 100 В. При облучении приборов потоком с длиной волны ^ = 0,91 мкм (рис. 16,в, сплошные кривые) характер изменения частотных кривых в функции напряжения такой же, как и для излучения с ?t = 0,63 мкм, но форма частотных кривых отличается Частотная характеристика для этого случая состоит из двух участков: низкочастотного, обусловленного движением носителей, генерированных за пределами р-п перехода, и высокочастотного, обусловленного процессом дрейфа .носителей в области объемного заряда. С увеличением обратного смещения область объемного заряда распространяется на весь г-слой, процессы переноса носителей определяются дрейфом, низкочастотный участок кривой исчезает. Следует отметить, что преимущества высокочастотных свойств ФП с подобной структурой реализуются только при больших величинах обратного смещения (примерно 100 В), 1в то время как при небольших смещениях (менее 20 В) критические частоты не превышают 10 МГц.