11
Рис. 4 Энергетическая диаграмма зонной структуры ФП с р-п переходом.
а — для р-п структуры с равномерным
распределением примеси в р- и п-
областях; б — для дрейфового ФП;
в — для ФП с p-i-n структурой
на порядок меньше времени пролета. Таким образом, предельная частота таких ФП определяется временем пролета носителей и не превышает в лучшем случае десятков мегагерц.
Механизм переноса путем диффузии при наличии электрического поля имеет место в дрейфовых ФП с градиентом примеси в одной или двух областях р-п перехода (рис. 4,6). Градиент концентрации примесей создает внутреннее электрическое поле, ускоряющее движение носителей к р-п переходу Это уменьшает время пролета, а следовательно, и инерционность ФП Для идеализированного дрейфового ФП с р-п структурой с постоянным внутренним электрическим полем и экспоненциальным профилем распределения примеси времена пролета при достаточно высоких полях, можно уменьшить на порядок по сравнению с ФП, обладающим однородным распределением примеси в базе Градиент концентрации примесей в базе снижает не только время пролета носителей, но и постоянную времени 7?С-цепочкп ФП. Таким образом, дрейфовый ФП, обладая высоким коэффициентом собирания, близким к предельно возможной величине в коротковолновой области спектра, может быть малоинерционен для излучения, поглощаемого в базе Для этой области спектра подобная структура прибора является оптимальной как по эффективности, так и с точки зрения инерционности
Механизм переноса путем дрейфа в электрическом поле наблюдается в p-i-n структуре, смещенной в обратном направлении (рис. 4,в). Толщина «-области, йа которую падает излучение, предполагается достаточно малой, так что большая часть излучения поглощается в /-области. Если в i-слое, где поле Е постоянно, пре-
12
\
ОМ
w о
|
7----- |
||||
|
^fe, |
^^-— |
^-^ |
||
|
1=10* |
fAW^V |
^: |
■J^ |
|
|
60^ |
200'' |
««^ """* —•- |
||
|
---- |
- —йЧОмкм — с(=Р.Омкм |
|||
|
f |
||||
небречь рекомбинацией носителей, критическая частота ФП с р i-n структурой (частота, при которой амплитуда сигнала уменьшается на 30%) для однородной генерации1 носителей в /-слое определяется следующим образом:
1,7-2^ ' КРИТ = d*-2n ' (7)
где ji — подвижность носителей; U — приложенное к p-i-n структуре обратное смещение. Если подвижности электронов и дырок не равны, то частотная чувствительность определяется скоростью более медленно двигающихся носителей.
В реальных ФП, где коэффициент поглощения отличен от нуля или бесконечности, <в движении через /-слой принимают участие как дырки, так и электроны, и, следовательно, время пролета определяется медленно двигающимися носителями— дырками Так как коэф. фициент поглощения имеет конечную величину, изменяющуюся в некотором интервале значений, генерация носителей происходит во всех частях /-слоя, т. е. ее можно считать однородной, а среднее время пролета носителей t = d/2v, где v — скорость дрейфа
В случае широкой /-области (d=0,2 мм) с удельным сопротивлением в несколько десятков ки-лоом при небольших обратных напряжениях (не более 50 В) область объемного заряда расширяется на весь |/-слой, а критическая частота ФП ограничивается 30 МГц
В случае узкой /-области (с? = 0,05 мм) с удельным сопротивлением порядка 1000 Ом • см при обратном смещении 50 В значения /крит доходят до 400 МГц.
Таким образом, уменьшая область объемного заряда и увеличивая электрические поля, можно значительно повысить критическую частоту p-i-n структуры.
В реальных ФП, изготовленных из высокоомного кремния, для достаточно длинноволнового излучения, которое проникает как в область объемного заряда, так и в область за р-п переходом, при небольших величинах обратного смещения имеют место два механизма переноса носителей: диффузия и дрейф носителей. Расчет частотной характеристики в случае синусоидально модулированного потока, проведенный для модели ФП с тонкой базой при облучении его длинноволновым излучением (Х=0,91 мкм), показал, что критические частоты увеличиваются с ростом толщины обедненного слоя. На рис. 5 y представляет отношение фототока для синусоидально модулированного потока с частотой f к величине фототока при постоянной засветке. Увеличение диффузионной длины приводит
0J
1
10 МГц 50
Рис. 5. Расчетные частотные характеристики ФП с тонкой базой для различных толщин области объемного заряда и диффузионных длин.
1 Под однородной генерацией понимают образование электронно-дырочных шар равномерно по всему /-слою.
13
т
к ухудшению характеристик, причем для малых толщин это влияние оказывается особенно существенным Это объясняется
1. тем, что эффективная область, из которой JL. происходит диффузионное собирание носи-' телей, зависит от частоты (при ее увеличении толщина области уменьшается), в то время как обедненная область характеризуется полным собиранием носителей незави. Рис. б. Простейшая симо от частоты в соответствии с предполо-эквивалентная схема жением о безынерционном механизме по-ФП. следнего.
Постоянная времени, определяемая RC-параметрами. Вторым фактором, оказывающим влияние на инерционность ФП, является постоянная времени, определяемая /?С-цепочкой ФП, где R и С — параметры эквивалентной схемы ФП (рис. 6), причем С—емкость р-п перехода ФП, a R— последовательное сопротивление прибора Очевидно, что уменьшения инерционности ФП можно достигнуть уменьшением величин R и С. Рассмотрим каждый из этих параметров в отдельности Прибор с р-п переходом подобен конденсатору, для которого р- и «-области 'представляют собой разноименно заряженные пластины, а область объемного заряда — разделяющий их диэлектрик Ширина области объемного заряда меняется в зависимости от величины приложенного напряжения С ростом величины обратного смещения ширина области объемного заряда увеличивается и емкость С уменьшается Емкость ФП можно определить по формуле для плоского конденсатора
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.