Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 4

9

Для  ФП  с гауссовским  распределением примеси «в  базе выражение для определения электрического поля Е приобретает вид:

Е = -

КГ

(5)

q-2Dt

Поле, линейно возрастая с ростом х, равно нулю вблизи поверхности и достигает максимальной величины вблизи р-п перехода.

Расчет Q в случае линейно-изменяющегося с расстоянием электрического поля показал, что при достаточно большом поле Е (если скорость поверхностной рекомбинации равна нулю) можно получить коэффициент собирания, равный 1.

В последние годы начали появляться более сложные методики расчета   ФП   с   внутренними   полями   произвольной    конфигурации,

учитывающие зависимость   па

\Qs	^5гм			^	^
\k\	-3-	2
					N	\
						\
						\ А

¹⁰ \ до

од

оа\

0Х\

Ofi Q5   0,6   01   0,8   0,9   1,0 мкм

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента собирания ФП от длины волны для гауссоь-ского и ступенчатого распределения примеси в базе. Л 2 —для ФП, изготовленных методом ионно-лучевой технологии (/ — (/=0; 2 — £/—10 В); 3, 4 — для диффузионных ФП (3—ступенчатое; 4 — гауссовское распределение).

раметров носителей (подвижности и времени жизни) от их концентрации. Необходимость таких расчетов была вызвана созданием полей сложной конфигурации в реальных ФП.

Экспериментальная   оценка влияния тянущего поля на коэффициент собирания при гаус-совском распределении примеси в  легированном  слое  проводилась на кремниевых ФП, полученных   методом    двухэтапной диффузии  фосфора   в  кремний р-типа (рис. 3, кривая 4) и методом ионно-лучевого легирования   кремния   /г.типа   (рис.    3, кривые  1   и  2)   [22].  Экспериментальные распределения электрически     активной     примеси (рис. 2,в, г)  совпадают с теоретически   рассчитанным  гауссовским     распределением.     Сравнение    коэффициентов     собирания для    диффузионных    ФП    с    разным    характером    распределения примеси   в   легированном   слое   [ступенчатое    (рис   3,    кривая 3) и  гауссовское  распределение    (рис.    3,    кривая 4)],    при    одинаковой   глубине  р-п  перехода   (0,7   мкм)   показывает  преимущества гауссовского   распределения,   для   которого   уже  ори   длине   волны 0,5 мкм почти все носители, созданные потоком  излучения, не ре-комбинируя,  доходят  до  р-п  перехода,   а коэффициент   собирания приближается к единице. Создание в легированном слое ФП двухступенчатого распределения примеси,  состоящего из двух областей с различной концентрацией, позволяет также значительно увеличить коэффициент   собирания   ФП   в   коротковолновой   области   спектра даже  при  сравнительно  большой  глубине залегания  р-п  перехода, равной примерно 1,2 мкм [21].

Цля увеличения коэффициента собирания ФП в длинноволновой области спектра необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей в толще полупроводника. Высокий коэффициент собирания в интервале длин волн вплоть до 1,06 мкм можно получить, используя для изготовления ФП материал с большой диф-

10

фузионной длиной и низкотемпературный (например, ионно-лучевой) метод создания р-п перехода.

Фотоприемники с p-i-n структурой. Фотоприемники с p-i-n структурой представляют собой две тонкие низкоомные р- и /г-области, между которыми расположен достаточно протяженный высокоом-ный, обедненный свободными носителями слой. Если к такой структуре не приложено внешнее электрическое напряжение, поле в /-слое мало и генерируемые в нем носители будут практически двигаться в результате диффузии. Коэффициент собирания такой структуры при условии малой диффузионной длины неосновных носителей в /-слое {L<d) будет мал из-за значительной рекомбинации, p-i-n структура при отсутствии внешнего напряжения аналогична структуре ФП с однородным распределением примеси, где действует диффузионный механизм движения носителей. При обратном смещении p-i-n структуры все напряжение будет падать на высокоомном /-слое и генерируемые носители под действием сильного поля будут пролетать /-слой, не успевая рекомбинировать. При этом коэффициент собирания p-i-n структуры Q=l—e^-ad, где d — толщина /-слоя. При d—\/a имеет место почти полное собирание генерируемых носителей.

ИНЕРЦИОННОСТЬ ФОТОПРИЕМНИКОВ

Инерционность ФП определяется временем пролета носителей от места их генерации до разделения р-п переходом и постоянной времени #С-цепочки ФП. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов.

Влияние времени пролета носителей. Время пролета носителей определяется внутренней структурой ФП. Известны три различных механизма переноса: а) диффузия; б) диффузия при наличии электрического  поля;   в)   дрейф  в электрическом  поле.

Диффузия является преобладающим механизмом переноса носителей для ФП с равномерным распределением примеси в р- и л-областях, когда толщина области объемного заряда при обратном смещении предполагается достаточно тонкой, так что время дрейфа через нее можно не учитывать (рис. 4,а). Более выгодна с точки зрения уменьшения инерционности конструкция ФП, в которой базой служит материал /7-типа, так как диффузионная постоянная электронов D_n обычно больше диффузионной постоянной дырок. Для ФП с толщиной р-области a;=l/a, но меньшей диффузионной длины неосновных носителей, рекомбинацией в р-области можно пренебречь. Если учитывать поглощение только в р-области, то среднее время пролета носителей в базе будет равно:

t=wtf2D_n.(6)

Это время определяет инерционность ФП с однородным распределением примеси для монохроматического излучения. При учете поглощения, которое происходит по обе стороны от р-п перехода (для длинноволнового или немонохроматического излучения) инерционность будет определяться наибольшим временем пролета носителей в одной из областей. Все сказанное справедливо, если постоянная времени, определяемая /?С-цепочкой ФП, намного меньше времени пролета носителей. Малоинерционные ФП обычно изготовляются таким образом, что постоянная  времени /?С-цепочки  будет