Конструкция детектора на основе кремниевого фотодиода

Кремниевые фотодиоды производятся по технологии, аналогичной технологии ИС в том, что они выращиваются на одной кремниевой пластине. Кремниевый фотодиод, однако, требует кремний более высокой чистоты, так как чистота определяет его удельное сопротивление. Чем выше степень очистки кремния, тем выше удельное сопротивление фотодиода.

На рис.8.3 показано поперечное сечение кремниевого фотодиода. Основным материалом является кремний n -типа. Существует также тонкий слой p -типа на фронтальной поверхности прибора. Его формирование осуществляется путем тепловой диффузии или ионной имплантации соответствующего легирующего материала.

Рис.8.3. Поперечное сечение кремниевого фотодиода.

Таким материалом обычно является бор. p-n переход является интерфейсом между слоем p -типа и кремнием n -типа. Существует небольшой металлический контакт, нанесенный на фронтальную поверхность фотодиода. Вся обратная сторона фотодиода покрыта металлом, используемым в качестве контакта. В привычных «диодных» терминах фронтальный контакт – это анод, а контакт с обратной стороны – катод. Активная область фотодиода покрывается либо нитридом кремния, диоксидом кремния, либо монооксидом кремния и служит антиотражающим покрытием. Толщина этого покрытия оптимизируется под определенную полосу длин волн.

Фотодиодные переходы, по сравнению с обычными p-n переходами, необычны тем, что верхний слой p -типа очень тонок. Существует соотношение между толщиной этого слоя и рабочей длиной волны, детектируемой прибором. Кремний имеет обедненный слой электрических зарядов вблизи p-n перехода. Прикладывая обратное напряжение смещения на такой переход, можно изменять глубину обедненного слоя. Говорят, что диод полностью обеднен, если обедненный слой достиг обратной стороны диода. Обедненный слой особенно важен для характеристик фотодиода благодаря тому, что он в большой степени определяет чувствительность к световому излучению. Емкость p-n перехода зависит от толщины изменяемого обедненного слоя. Напряжение смещения управляет толщиной этого слоя. С увеличением степени обеднения эта емкость уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто состояние полного обеднения. На рис.8.4 показана зависимость емкости от напряжения смещения для диодов различной площади.

Рис.8.4. Зависимость емкости кремниевого фотодиода

от его площади и напряжения смещения

Пары электрон-дырка формируются, когда свет поглощается в активной области. В ней электроны отделяются и проходят в область n -типа, а дырки – в область p -типа. Это приводит к возникновению тока, генерируемого падающим светом. Такая миграция электронов и дырок в области их предпочтения называется фотогальваническим эффектом.

Генерируемый ток, обычно определяемый как ток короткого замыкания, линейно зависит от света, излучаемого на активную область. Этот ток может изменяться в достаточно широком диапазоне, по крайней мере на 7 порядков. Амплитуда такого тока обозначается как I_sc. Он мало меняется под действием температуры – меньше 0,2% на градус Цельсия для видимого света.

Определение полярности напряжения двух выводов фотодиода: анода и катода основана на том, что существует малое прямое сопротивление (при положительном аноде) и большое обратное сопротивление (при отрицательном аноде). Как правило, кремниевый диод имеет отрицательное смещение на активной области, которая является анодом, или положительное смещение на обратной стороне диода, которая является катодом. В условиях нулевого смещения и при фотогальваническом режиме работы генерируемый ток или напряжение соответствуют прямому включению диода. Следовательно, генерируемая полярность противоположна той, что требуется в режиме смещения.

Дата добавления: 2015-04-30