Оценка быстродействия фотодиодов с встроенным электрическим полем для ВОЛС Текст научной статьи по специальности «Физика»
Наумов А.Н. ОЦЕН КА БЫСТРОДЕ ЙСТВИЯ ФОТОДИОДО В С ВСТРОЕН ЫМ ЭЛЕКТРИ ЧЕСКИМ ПОЛЕМ ДЛЯ ВОЛС . Проведен анализ влияния встроенного электрического поля на быстродействие фотодиода для ВОЛС . Определена переходная характеристика первичного фототока, который может быть использован для расчета более сложных многослойных фоточувствительных структур.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Наумов А. Н.
Naumov А.Н. THE ESTIMATION OF SPEED OF PHOTO DIODES WITH THE BUILT IN ELECTRIC FIELD FOR FOCL . An evaluation of influence of the electric built-in field on the FOCL photocells response speed was carried out. As a result, transient response of the primary photocurrent which can be used for calculation of more complex multilayer photoresistive structures was determined.
Текст научной работы на тему «Оценка быстродействия фотодиодов с встроенным электрическим полем для ВОЛС»
ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ФОТОДИОДОВ С ВСТРОЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ДЛЯ ВОЛС
А.Н. НАУМОВ, асп. каф. вычислительные системы и сети МИЭМ
В работе [1] проведен анализ нестационарного уравнения непрерывности для фотодиодов без учета внутреннего электрического поля. Анализ нестационарного уравнения непрерывности для фотодиода со встроенным электрическим полем без учета рекомбинации в объеме полупроводника проведен в работе [3]. Однако для оценки величины «сильного» или «слабого» поля для данной конструкции фотодиода необходимо знать соотношение между диффузионной длиной неосновных носителей и напряженностью электрического поля [2]. Кроме того, в работе [3] рассматриваются процессы в p-области р-и-структуры, что неприемлемо для фотоприемников современных ВОЛС. Так, например, излучение ар-сенидогаллиевых источников (применяемых в ВОЛС) с длиной волны 0,92-0,95 мкм проникает в кремний на глубину 60 мкм (интенсивное поглощение), в то время как толщина диффузионного слоя (p-области) составляет 3-5 мкм. Следовательно, почти все излучение светоизлучающего диода поглощается в n-области фотодиода и влиянием p-области можно пренебречь.
Для оценки переходных процессов целесообразно рассмотреть стандартную модель фотодиода с полубесконечной базой, правомерную для современных конструкций передатчиков ВОЛС.
Предполагается, что проводимость дырочной области значительно превосходит проводимость электронной области, излучение падает перпендикулярно к р-и-переходу со стороны p-области, уровень генерации низкий. Равновесная концентрация неосновных носителей, время жизни и подвижность неосновных носителей в базе постоянны; в базе имеется постоянное электрическое поле, направленное перпендикулярно плоскости p-и-перехода и не меняющееся при генерации носителей; импульс света имеет прямоугольную форму с длительностью переднего фронта, равной нулю.
При принятых предположениях распределение концентрации дырок р(х) в базе такого фотодиода описываются диффузионно-дрейфовым уравнением
дАр _ дАр м г дАр Ар
где х - расстояние от р-и-перехода; t - время;
Dp - коэффициент диффузии;
E - напряженность электрического поля; Цр - подвижность дырок; тр - время жизни дырок; g0 - скорость генерации пар электрондырка;
а - коэффициент поглощения, и граничными условиями для обратно смещенного р-и-перехода.
Ар1х=0 = -р„; Ар1х= = 0, (2)
Для упрощения расчетарп(х), Е(х), ц(х) заменим их средними значениями
где W - эффективная ширина n-базы фотодиода.
Решая уравнение (1) с учетом граничных условий (2), получаем для темнового тока и переходной характеристики фототока следующие выражения
X- * с■ 1- 1+ф с t е Zp —s!b0 b-L >
где Ф = |E| / (2ф / Lp) - нормированное электрическое поле
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
(фт = kT/e); a = х2 - 2хф - 1,
Ъ = 1 + ф2, с = х - ф
(здесь х = aLp - нормированная диффузионная длина); ф - интеграл ошибок Гаусса.
Рисунок. Переходные характеристики дрейфового фотодиода при ступенчатом освещении (ф = 0,1): а - х = 0,1; б - х = 0,5; в - х = 0,8 (кривые 1 = 0,5; 2 = 0,8; 3 = 1; 4 = 3; 5 = 5)
Коэффициент сбора носителей можно записать в виде
< - с• 1- 1+ф с \ t X е -4ьф \ b-L X *
Введем условно для оценки быстродействия фотодиода два критерия: критерий «большой» или «малой» диффузионной длины Lp/(1/a); критерий «сильного» или «слабого» поля | E|/(2фT/Lp). При выполнении неравенства Еп = | Е|/(2ф^р) > 1 поле можно считать «сильным». При Еп > 3 - 5 характеристическая длина распределения дырок определяется только напряженностью поля и не зависит от времени жизни.
Анализ зависимостей коэффициента сбора носителей от времени, построенных с помощью ЭВМ (рисунок), показывает, что при | Е | Ly2ф:r < 1 переходный процесс определяется диффузионным переносом носителей заряда и заканчивается за время 2 - 3тр, при | Е | Ly2ф:r > 3 переходный процесс определяется дрейфовым переносом носителей заряда и заканчивается за время 0,5тр.
Приведенный расчет позволяет для заданных параметров структуры фотодиода: дрейфового поля (для заданного профиля распределения примеси), диффузионной длины (для заданной концентрации) и коэффициента поглощения излучения (для заданной длины волны излучения) найти численные значения критериев ф, х, с помощью которых по приведенным графикам оценить быстродействие и выбрать оптимальный вариант проектируемой структуры фотодиода для ВОЛС. Если графики не охватывают полученных значений критериев ф и х, то длительность переходного процесса может быть оценена по формулам (5, 6).
1. Амброзяк, А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов / А. Амброзяк. - М.: Сов. радио, 1970. - С. 253, 259.
2. Еремин, С.А. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда и их применение / С.А. Еремин,