Фотодиоды Шоттки
Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 6.10.
На подложке сильно легированного кремния п выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного полупроводника «-типа. Затем на тщательно очищенную поверхность материала «-типа напыляют тонкую (»0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх нее — антиотражающее покрытие.
+ Рис. 6.10. Фотодиод с барьером Шоттки: а — структура; б — распределение поля в структуре |
Структура и свойства контакта «металл-полупроводник» зависят от взаимного расположения уровней Ферми в металле (С/Фм) и полупроводнике (С/Фпп). На рис. 6.11 показаны зонные диаграммы контакта «металл—полупроводник» для случая £Уфм < £/«>„„. При образовании контакта электроны переходят из полупроводника и-типа в металл. При этом вблизи границы «металл—полупроводник» создается объемный заряд положительных ионов доноров и, следовательно, электрическое поле.
Металл Полупроводник
|
Рис. 6.11. Зонные диаграммы контакта «металл-полупроводник» |
Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом (7пов. Его можно определить разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. При отсутствии внешнего напряжения и оптического излучения переход находится в равновесном состоянии. Это состояние характеризуется равновесным поверхностным потенциалом С/по,0. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота 1/пово является аналогом внутреннего потенциального барьера в р-л-переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопротивление приконтактного слоя будут меняться.
При приложении прямого напряжения ищ (положительный полюс к металлу, отрицательный — к полупроводнику «-типа) потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами, и сопротивление перехода «металл-полупроводник» будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения, т. е. приложить к переходу обратное напряжение V^ то потенциальный барьер в контакте повышается. В этом случае приконтактный слой еще сильнее обедняется основными носителями — электронами и повышается его сопротивление по сравнению с равновесным состоянием. Таким образом, контакт «металл-полупроводник» обладает выпрямляющими свойствами и может быть основой приборов, называемых диодами Шоттки.
Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-«-переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки используют движение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода.
В фотодиодах с барьером Шотгки имеется возможность поглощения квантов излучения в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны). Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода сдвигается в сторону более длинных волн.
В фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с /»-«-переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена в области более коротких волн.
Перспективность применения фотодиодов Шотгки в оптоэлектронике объясняется их следующими достоинствами:
- малым сопротивлением базы фотодиода г6; поэтому постоянная времени барьерной емкости Сбар^б у фотодиодов Шоттки примерно равна Ю12 с, а инерционность определяется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (1(Г10...1(Г“) с;
- сочетанием высокого быстродействия и высокой чувствительности (5ф = 0,5 А/Вт);
- простотой создания выпрямляющих фоточуЪствительных структур на самых разнообразных металлах и полупроводниках и, следовательно, возможностью управления высотой потенциального барьера Шоттки; в частности, кремневые фотодиоды с барьером Шоттки работают при А. = 0,63 мкм, имеют быстродействие 10 10 с и фоточувст - вительносгь 5Ь = 0,5 А/Вт;
- хорошей совместимостью с оптическими интегральными микросхемами.
Для продвижения в длинноволновую область повышают удельное сопротивление базовой области и одновременно увеличивают ее толщину, т. е. переходят к структуре т-1-п, где т — означает «металл».