12.3. КВАНТОВЫЙ ВЫХОД

12.3.1. Идеальный фотодиод

Носители тока, появившиеся под действием излучения, рекомбинируют, причем их время жизни соответствует среднему времени жизни неосновных носителей или Это время зависит от типа материала, состава и концентрации примесей. Для преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо разделить электроны и дырки, прежде чем произойдет рекомбинация. Внешнее электрическое поле позволяет простейшим способом разделить носители. Как уже было сказано, во всех детекторах фотогенерация происходит

Рис. 12.5. Схематическая иллюстрация поглощении излучения. Из схемы видна целесооб разность снижения поверхностного отражения и расстояния а также целесообразность увеличения интервала путем увеличения толщины обедненного слоя

внутри обедненного слоя отрицательно смещенного -перехода. Избыточные электроны и дырки разносятся электрическим полем и собираются на контактах, прежде чем произойдет рекомбинация. При этом во внешней электрической цепи появляется ток.

В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обедненном слое и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда квантовый выход равен единице, а фототок под действием оптической мощности определяется из выражения

На практике, конечно, часть падающего света отражается от поверхности полупроводника, а оставшаяся часть не полностью поглощается в обедненном слое. Это иллюстрируется рис. 12.5.

Для получения высокого квантового выхода необходимо: а) снизить отражение от поверхности полупроводника; б) повысить поглощение внутри обедненного слоя; в) избежать преждевременной рекомбинации. Рассмотрим последовательно, как удается удовлетворить этим требованиям.

12.3.2. Отражение от поверхности

В гл. 8 рассмотрено френелевское отражение света от границы полупроводник — воздух. Чтобы уменьшить этот эффект, обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны. В идеальном случае показатель преломления пленки должен быть равен корню квадратному из показателя преломления полупроводника (см. § 8.5 и 8.6). На практике более удобна тонкая кварцевая пленка , которая заметно увеличивает пропускание оптического излучения; иногда используют . При дальнейшем изложении (§ 12.3.3) будем предполагать, что всегда используется такое покрытие, и пренебрегать каким-либо отражением.

12.3.3. Повышение поглощения внутри обедненного слоя

Рисунок 12.5 дает возможность оценить долю оптической мощности, поглощенной внутри обедненного слоя или в пределах диффузионной длины от его краев. Границы этой «рабочей области» лежат на глубине от поверхности. Обозначим плотность падающей мощности а коэффициент отражения поверхности Тогда плотность мощности внутри полупроводника а плотность поглощенной мощности

Таким образом, квантовый выход

На первый взгляд кажется, что нужно стремиться сделать как можно меньше, а как можно больше. На практике это приводит к трудностям, поэтому приходится искать компромиссное решение.

12.3.4. Снижение рекомбинации

Обычно время жизни носителей значительно превышает время перехода носителей через обедненный слой, так что можно пренебречь потерей носителей вследствие рекомбинации. Носители, рожденные в пределах диффузионной длины от краев обедненного слоя, собираются за время, по порядку величины совпадающее с рекомбинационным временем жизни. Если эта доля значительна, то уменьшается квантовый выход и ухудшается частотная характеристика диода. В таком случае становится необходимым снижение и увеличение Переход должен быть сформирован близко к поверхности, а протяженность обедненного слоя должна быть много больше интервала затухания. Таким образом, в соответствии с рис. 12.5 необходимо

Если не выполняется первое из этих условий, квантовый выход снижается из-за поверхностной рекомбинации. Скорость поверхностной рекомбинации всегда необходимо стремиться снизить, но если а слишком велико, можно использовать одну из возможностей, обсуждаемых в § 12.4.3.