3. Принцип дії сід на основі гетероструктур.
Найкращі параметри мають діоди, виготовлені на основі гетероструктур (або гетеропроходів) [23]. На малюнку 2.18 зображені енергетичні діаграми випромінюючої гетероструктури GaAlAs – GaAs у стані рівноваги. На металургійному кордоні переходу утворюється розрив (стрибок) енергії Е = Ез1 - Ез2. Таким чином, гетероструктура має різні потенційні бар'єри для інжектованих дірок та електронів.
Рух носіїв у рівноважному стані гетероструктури визначається носіями заряду лише одного типу (для гетероструктури на малюнку 2.18 – електронами). Тому при застосуванні прямої напруги має місце одностороння інжекція — лише електронів із широкого шару (емітера) у вузькозонний шар (базу). Така структура, що містить широкозонний емітер та вузькозонну базу, називається одинарною гетероструктурою.
Поряд з одинарною у випромінюючих діодах використовується подвійна гетероструктура, в якій є додатково замикаючий широкозонний р3-шар того ж, що й база, типу провідності (відповідно до рисунка 2.18 ). У подвійній гетероструктурі другий потенційний бар'єр перешкоджає виходу електронів з базової області (зона бази утворює потенційну «яму», в якій накопичуються інжектовані електрони).
Рисунок 2.18 – Енергетична діаграма випромінюючої одинарної структури
Рисунок 2.19 – Енергетична діаграма подвійної гетероструктури
Надлишкова концентрація носіїв в активній (випромінюючої) області та одностороння інжекція різко підвищують внутрішній квантовий вихід гетероструктури, а також її швидкодію.
Насправді використання подвійної гетероструктури забезпечує локалізацію інжектованих носіїв зарядів у базі при зменшенніїї ширини до кількох мікрометрів. Це дозволяє за збереження внутрішнього квантового виходу значно підвищити швидкодію подвійних гетероструктур.В одинарній гетероструктурі при зменшенні ширини бази потужність випромінювання різко падає, а швидкодія зростає незначно.Для кращих зразків на одинарній гетероструктурі зовнішній квантовий вихід становить (34%), а час перемикання (4080) нс; подвійні гетероструктури мають приблизно таке ж значення зовнішнього квантового виходу, а час перемикання (2030) нс.
Важливо підкреслити, що одностороння інжекція не пов'язана зі ступенем легування емітерної та базової областей, як це має місце у звичайному (гомогенні) переході. В результаті вона зберігається до значних щільностей струму, і з'являється можливість зміни ступеня легування гетероструктурних областей без погіршення інжекції p-n - переходу.
Іншою відмінною особливістю гетероструктур є різниця в оптичних властивостях бази та емітера. В результаті спектральна характеристика випромінювання вузькозонної бази виявляється зсунутою в область довгих хвиль стосовно спектральної характеристики поглинання широкозонного емітера (відповідно до малюнку 2.20). Тому випромінювання виводиться із СІД через емітер практично без поглинання.
Малюнок 2.20 – Спектральна характеристика бази та емітера гетероструктури
У випромінювачах з подвійною гетероструктурою та віддаленою підкладкою позначається явище багаторазового відображення («багатопрохідний ефект»). Випромінювання, що зазнає на зовнішній межі кристала гетероструктури повне внутрішнє відображення, багаторазово відбившись від різних граней кристала, зрештою, падає на зовнішній кордон під таким кутом, який даєможливість йому вийти назовні. Як бачимо, багатопрохідний ефект корисний тільки в тому випадку, якщо поглинання випромінювання в напівпровіднику мало. Поглинання у вузькозонній базі вдається дещо компенсувати за допомогою фотолюмінесценції: поглинання кванта випромінювання веде до нового акту випромінювання.
Всі переваги гетероструктур досяжні лише за високої якості гетеропереходу. Для отримання якісного гетеропереходу необхідно мати хороший збіг параметрів структури по обидва боки від металургійної межі: відмінність постійних кристалічних грат не повинна перевищувати 0,01%, близькими повинні бути температурні коефіцієнти розширення. У тих випадках, коли ці вимоги не дотримуються. Висока концентрація дефектів у галузі гетеропереходу практично зводить до нуля всі переваги гетеропереходу.
Одним із шляхів створення швидкодіючих фотоприймачів з високою чутливістю є використання лавинного пробою, зокрема створення лавинних фотодіодів.Якщо поле в активній зоні фотодіода велике і енергія, що придбавається фотоносіями струму (електронами та дірками) у цьому полі перевищує енергію утворення електронно-діркових пар, то починається лавиноподібний процес розмноження носіїв. Процес розмноження починається з генерації носіїв під дією випромінювання, тобто маємо фотодіод з лавинним розмноженням носіїв.
Посилення первинного фотоструму в лавинному фотодіоді визначається коефіцієнтом лавинного розмноження
деIф– струм на виході фотодіода з урахуванням розмноження;
Таким чином, коефіцієнт лавинного розмноження в лавинному фотодіоді є коефіцієнтом посилення, фотоструму.
Відомо, що коефіцієнт розмноження залежить від напруги напереході
m– коефіцієнт, що враховує вид і тип провідності напівпровідникового матеріалу(m=1,52 для кремнію р – типу; m= 3,44 для кремнію n – типу) .
Тоді ВАХ лавинного фотодіода можна подати у вигляді
Лавинний процес відбувається дуже швидко: інерційність лавинних фотодіодів характеризується часом перемикання (10 -8 . 10 -9 ), а добуток коефіцієнта посилення фотоструму Ki на смугу частот досягає рекордних значень: Kifгр 10 11 Гц. Гранично реалізоване значення Ki може бути тим більше, чим менше тепловий зворотний струм фотодіода, тому при використанні кремнію і арсеніду галію досягнуто. Ki 10 3 . 10 4 а для германію його величина зазвичай не більше 10 2 . У кремнієвих та арсенідгаллієвих приладів нижчий рівень шумів.
Малюнок 6.13 – Лавинний фотодіод:
а) структура; б) розподіл поля у структурі.
У режимі лавинного фотомноження успішно випробувані практично всі діодні структури: р + - n, р - i - n, n - р - i - р + бар'єр Шоттки.
Лавинні фотодіоди перспективні для виявлення слабких оптичних сигналів. Широке застосування лавинних фотодіодів пов'язане із значними труднощами. Це з тим, що у передпробойном режимі коефіцієнт посилення фотоструму Ki різко залежить від напруги. Тому лавинні діоди потребують жорсткої стабілізації робочої напруги шляхом термостатування. Лавинним фотодіодам властивий великий розкид параметрів окремих зразків. Висока робоча напруга, низький ККД перетворення ускладнюють їх використання в мікросхемах.