Р—/—п-диод
Другим типом диода, играющим очень важную роль в оптоэлектронике, является р—/—я-диод, в котором слаболегированная область заключена между сильнолегированными областями р - и я-типа (смотрите рис. 10.А.2). Встроенный потенциал всегда определяется положением уровней Ферми в областях р - и я-типа, т. е.:
|
А CD I О |
|
Потенциал V(z) определяется уравнением Пуассона, который в аппроксимации области обеднения (смотрите рис. 10.А.2) есть: |
|
Рис. 10.А.2. Зонная диаграмма p—i—n-диода при термодинамическом равновесии. |
|
|
|
|
|
|
 |
Е2 .. , . ,
-г-Г = —N D, dl-d2<z<dl
|
D < z < d2 |
Dz Е d2V
|
(10. A. 4) |
Dz2 °’
При этом решения имеют вид:
E2N
|
Dt - d„ < z < d, |
Уп +-------- — (z ~ dx + dn )2,
2e
|
2e E2N, |
|
V„ + e N 0 d„2 + e-N °-d„(z - dt} d, < z < d2 |
|
|
|
|
|
|
Здесь длины обеднения с1п и (I определяются УЬІ = V — К или:
|
(10.А.6) (10.А.7) |
= N,<1,
|
|
В пределе, когда (і2 — с1[ »с1п. </ решение имеет простой вид:
КСІ,
.Уы. (г-4) </,<<: <</2
2 I
С12 < г
Это есть ничто иное, как линейное падение потенциала между двумя сильнолегированными областями я - и р-типа. После чего система ведет себя как простой конденсатор с металлическими обкладками, при этом постоянное электрическое поле В собственной области определяется соотношением Р = Уъ./(с12 — с1{).
Приложение обратного напряжения к этой структуре приводит просто к увеличению напряженности поля Р:
|
|
(10.А.8)
Имеется много применений р—/— л-диодов. Так как эта структура характеризуется постоянным электрическим полем в собственной области, она используется как базовая структура для оптоэлектронных компонентов, требующих модуляции однородного поля (т. е. электрооптические модуляторы на основе эффекта Штарка (дополнение 8.В) или Франца—Келдыша (дополнение 7.А). Наиболее важным является использование р—/— я-диода в качестве высокочастотного фотоприемника. Быстрый фотоотклик этих приборов имеет двойственную природу. Во-первых, динамическая емкость р— /— я-диода (С = еЛ/(с12 — г/,)) намного меньше по сравнению со сравнимым р—я-переходом (С = еЛ/Ь, где Ь есть ширина области обеднения).Таким образом. Я С - постоянная намного меньше в случае р—1— п-прибора, что обеспечивает возможность детектирования ВЧ-сигналов. В дополнение к этому собственная область может быть сделана с достаточно большой толщиной, с тем чтобы поглотить практически все излучение. В результате этого поглощение, имеющее место в нейтральных областях, сводится до минимума. Это, в свою очередь, уменьшает вклад фотогенерации в диффузионный ток и эффективно устраняет вклад времени жизни неосновных носителей в полный динамический отклик фотодиода (смотрите раздел 11.4).
Достаточно небольших усилий, чтобы определить ограничения такой картины «постоянного поля» в собственной области р—/-/1-диода. Остаточный (фоновый) уровень легирования в собственной области никогда не является полностью нулевым, при этом, если длина обеднения £гс5, соответствующая этому остаточному уровню легирования, меньше с12 — (1{, поле не может оставаться постоянным, и оно будет экранироваться пространственным зарядом, связанным с ионизированными легирующими примесями. Эта длина обеднения существенно зависит от качества материала. Другой предел связан непосредственно с собственной концентрацией носителей я. в полупроводнике. Определяющим параметром в данном случае является длина Дебая, соответствующая я.. Если с12~ с1{ > 10, то свободные носители будут экранировать поле, и структура «выродится» в систему с двумя переходами и областью нулевого поля между ними. Поскольку 10 зависит от температуры, в особенности, через я., становится невозможным поддерживать поле в пределах достаточно большой длины в узкозонном полупроводнике при окружающей температуре.
|
|
Пример--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1. Найдем максимальный допустимый уровень легирования, который позволил бы нам реализовать р—/—я-диод, работающий при напряжении У » Уьг Пусть толщина собственной области составляет О. Из (10.1) мы имеем:
2ЕУ
М0<^г (10.А.9)
Еи~
В 51 при напряжении 100 В и ширине обеднения 50 мкм (е = £0£г и £ = 12) мы
Должны обеспечить < 5 х 1018 см“3.
2. Найдем максимальную рабочую температуру для /?—/—/1-диода на основе 1пАз с толщиной собственной области О. В таком узкозонном полупроводнике (Е = 0,36 эВ) ограничение следует из собственной концентрации носителей при комнатной температуре, определяемой (5.49). Связанная с этим длина Дебая в этом случае составляет:
Эффективные плотности состояний ТУ и УУ даются (5.46) при эффективных массах тс/те = 0,023 и ту/те = 0,4 или N = 8,7 х 1016 (Т/300)15 см-3 и УУ, = 6,3 х 1018 см-3
(Т/300)15. Требование, чтобы 10 > О при 0=5 мкм приводит к Гтах = 159 К.
