С-*£. (8.
где го — диэлектрическая проницаемость вакуума; е — диэлектрическая проницаемость полупроводника; S — площадь р-п перехода.
Ширина области объемного заряда, а следовательно, и емкость однозначно связана с распределением примеси в р- и «-областях, т. е. со структурой прибора Для ФП с однородным распределением примеси в р- и «-областях и несимметричным р-п переходом * ширина области объемного заряда определяется высокоомной областью. В этом случае емкость кремниевых ФП можно рассчитать по удельному сопротивлению кремния и напряжению смещения на приборе, если обратные смещения достаточно велики
202 ^ 326
и С2 = г
у(9)
"' VpnU
где С\—емкость р-п перехода с высокоомно*й областью «-типа, пФ/мм2; С2 — емкость р-п перехода с высокоомной областью р-типа, пФ/мм2; рп, рр — удельное сопротивление высокоомных п- и р-об-ластей соответственно, Ом • см. Снижение емкости ФП можно обеспечить, увеличивая удельное сопротивление одной из областей р-п перехода.
1 р-п переход считается несимметричным (резким), если в одной из областей (р или п) концентрация примеси значительно больше, чем в другой.
14
( ) **=з*£
Рис 7. Фотоприемники с различной z,_
конфигурацией контактов и соответ- | иЯб=Х !}l
ствующие им сопротивления базы. ■---------' ъWlz
hl
Для дрейфового ФП, в базе ко- г
торого имеет место
неоднородное рас- i
i ^zse ^1[\
пределение примеси, ширина области 1 1 2 6 ~к* мЩЩ
объемного заряда (а соответственно I,
и емкость) будет определяться дру- I L яб^Щ 4-п&ш
гими выражениями, чем в предыду- ■---------' 1 '
щем случае. Если в базе ФП примесь ___. б4 р itiz
распределена экспоненциально, то I \fy" xs w (I'+if)
при достаточно сильных внутренних
полях можно предположить, что
область, где расположен переход,
имеет почти линейное распределение
примеси (при небольших обратных
смещениях). Расчет емкости дрейфового ФП показывает, что ее
величина может быть значительно уменьшена по сравнению с ФП
с однородной базой.
Емкость ФП с p-i-n структурой при достаточно больших величинах обратного смещения определяется только шириной /-слоя. Для кремниевых приборов она равна:
C=106/d, (10)
где d измеряется в мкм, С — в пФ/мм2.
Таким образом, наименьшие значения емкости обеспечиваются в дрейфовых ФП и при использовании p-i-n структуры.
Последовательное сопротивление фотоприемника в общем случае включает сопротивление растекания носителей в тонком базовом слое или сопротивление базы Re, сопротивление толщины полупроводника за р-п переходом или сопротивление коллектора RK и сопротивления контактов (переходные сопротивления между полупроводником и металлическими контактами).
Обычно при совершенных омических контактах их сопротивлениями можно пренебречь. При небольших частотах 0)ТлсС1 сопротивление базы можно считать омическим; в этом случае справедлива простейшая эквивалентная схема, приведенная на рис. 6. Сопротивление базы будет зависеть от удельного сопротивления базового слоя, толщины базы и формы контактов на поверхности ФП. Для ФП прямоугольной формы с контактом в виде узкой полоски, расположенной вдоль одной из сторон (рис. 7), сопротивление базы равно: __
1 /i Р
*—ЛИГ (П)
где k — ширина прибора; 1\ — длина прибора без учета контакта; Р — усредненное по сечению удельное сопротивление базового слоя.
На рис. 7 приведены также ФП прямоугольной и круглой формы с различным расположением контактов и соответствующие им сопротивления базы Ra.
Для любой конфигурации ФП сопротивление базы можно снизить, уменьшая параметр p/w, т. е. используя толстую базу с вы-
15
сокой концентрацией примеси. С увеличением толщины базы, однако, увеличивается время пролета носителей в ней, что в свою очередь ухудшает частотные свойства ФП. Чтобы ликвидировать это противоречие, необходимо выбирать оптимальный вариант толщины базы w.
Сопротивление толщины полупроводника за р-п переходом, или сопротивление коллектора, равно:
Лк = р—- (12)
где р — удельное сопротивление коллектора; wK — толщина коллектора; 5 — площадь р-п перехода.
Сопротивление RK особенно существенно для ФП на основе вы-сокоомного кремния с малой площадью р-п перехода. Чтобы уменьшить его сопротивление, необходимо уменьшать толщину ФП и работать в фотодчодном режиме при таких величинах обратного смещения, чтобы область объемного заряда расширялась на всю толщину коллектора wK. В этом случае такой ФП приближается к p-i-n структуре, являющейся оптимальной с точки зрения получения малых сопротивления и емкости прибора, а также малого времени пролета носителей. Структура p-i-n является одной из основных структур высокочастотных фотодиодов.
Рассмотрение основных факторов, влияющих на коэффициент собирания и инерционность ФП, показывает, что, с одной стороны, для увеличения коэффициента собирания необходимо увеличивать диффузионные длины в /?- и n-областях и ширину области объемного заряда, с другой, для снижения инерционности нужно уменьшать эти параметры, чтобы получить малые времена пролета. Это противоречие свидетельствует о том, что невозможно создать универсальный ФП, который имел бы высокую чувствительность в широком диапазоне длин волн спектра и малую инерционность вплоть до частот в несколько ГГц. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяют различные типы ФП, основные параметры и характеристики которых будут рассмотрены ниже.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЕМНИКОВ
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.