Sperrschichtphotoempfänger

Transkript

1 Sperrschichtphotoempfänger Aktive Halbleiter-Bauelemente einfallende Strahlung wird absorbiert und generiert Elektron-Lochpaare das innere elektrische Feld über der Sperrschicht eines p-n-überganges oder eines Metall-Halbleiterüberganges (Schottky-Barriere) trennt Elektronen und Löcher räumlich das Feld treibt im äußeren Kreis einen Photostrom bzw. erzeugt eine außen abnehmbare Photospannung nutzbar als Strahlungssensor und auch als Solarzelle

2 p-n-übergang schematisch Wenn p- und n- dotierte Bereiche zusammengeführt werden, kommt es zur iffusion von Ladungsträgern und zur Ausbildung von Raumladungen. Ausbildung von Raumladungszonen: positive Raumladung der onatoren im n-teil, negative Raumladung der Akzeptoren im p-teil

3 Ladungsträgerverteilungen über p-n-übergang im Gleichgewicht Ladungsträger- und otierungskonzentration über einem symmetrischen abrupten p-n-übergang am Beispiel von Silizium mit N A =1 16 cm -3 Boratomen/cm -3 im p - Teil und N =1 16 cm -3 Phosphoratomen/cm -3 im n-teil

4 iffusionsspannung Gleichgewicht: iffusionsstrom der Majoritätsträger = Feldstrom der Minoritätsträger dn enµ ne = en (für Elektronen) dx dϕ kt dn E = dϕ = dx e n n kt = µ n e kt n kt N N ϕ( xr) ϕ( xl) U = ln = ln e n e n p A 2 n i Beispiel: iffusionsspannung in Si mit: N =N A =1 16 cm -3 n i =1,5 1 1 cm -3 T =3K U =,695V

5 Poisson-Gleichung des abrupten p-n-übergangs div = ρ 2 de d ϕ e dx ( + p n N ) NA = = + 2 dx εε Näherung nach Schottky bei abruptem p-n-übergang: Nahezu konstante Ladungsdichte im p- bzw. n-teil der Raumladungszone + N A N A für xl < x < p n+ N N A + N N für < x < xr

6 Elektrisches Feld p-seitige Raumladungszone: de dx e = N A m it E ( x l ) = εε en A E ( x) = ( x x l ) εε n-seitige Raumladungszone: de dx e = N m it E ( x r ) = εε en E ( x) = ( x r x) εε Negatives elektrisches Feld mit linearem Verlauf und Maximum bei x= Ex ( + ) = Ex ( ) Nx= N x A l r

7 Elektrisches Potential dϕ = Edx Integration über x mit ϕ (x= ) = en ϕ ( x < x < ) = x ( x x ) A 2 2 l 2 l l εε en ϕ ( < x < x ) = + x ( x x) 2 2 r 2 r r εε Quadratischer Verlauf Feld- und Potentialverlauf über p-n-übergang

8 Weite der Raumladungszone N x = N x A l r e e U x x N x N x N x = ϕ( r) ϕ( l) = + = (1 + ) 2 r A l r εε 2εε N A x r Weite: W = xr xl = xr 1+ W = 2εε e U N A + N N N A N N A nimmt mit zunehmender otierung ab N U kt N N A = ln 2 e ni

9 Kapazität der Raumladungszone p-n-übergang als Plattenkondensator mit Ladungsdichte N N q = en x = en x = e U N N A r A l 2 εε A + Bei Anlegen einer äußeren Spannung U: U U U Kapazität/Flächeneinheit: C dq eεε NAN = = F du 2 U U N + N ( ) A Wächst mit zunehmender otierung und fällt mit zunehmender Sperrspannung U <

10 iodengleichung Netto Löcher- bzw. Elektronenstromdichten bei Anlegen einer äußeren Spannung U: x eu eu eppn L e p nn kt n kt jp = e 1 e analog jn = e 1 Lp 1 in der RZ Ln eu kt j = jp + jn = js e 1 bei geringer Rekombination p n js = e + = e + n p n n p n p 2 i Lp Ln LnNA LpN Für U > : iffusionsstrom der Majoritätsträger übersteigt den Feldstrom der Minoritätsträger durch Absenken der Barriere von eu auf e(u -U)! Sättigungsstromdichte fließt bei Polung in Sperrrichtung, falls U << - kt/e rastischer Anstieg des Nettostroms bei Vorwärtsrichtung Schnelle Sättigung in Rückwärtsrichtung

11 Bänderschema des p-n-übergangs mit Vorwärtsspannung Rot: Gleichgewicht ohne äußere Spannung Barriere von eu auf e(u U) abgesenkt Ferminiveau E F aufgespalten in zwei Quasiferminiveaus E F,e und E F,h ifferenz der Ferminiveaus von p- und n-seite = Vorwärtsspannung Solarzelle: Bestrahlung mit Licht erzeugt Elektron-Lochpaare, senkt die Barriere und bewirkt E F,e >E F,h. Gewonnene Energie/Elektron-Lochpaar = E F,e -E F,h

12 Bestrahlter p-n-übergang g Generationsrate, p-n-übergang schematisch, Feldverlauf Bändermodell as Feld der RLZ treibt die durch Einstrahlung generierten Elektronen als Überschussminoritätsträger von der p- auf die n-seite und die Löcher von der n-seite auf die p-seite. Im Außenkreis fließt ohne äußere Spannung U ein Photostrom in Sperrrichtung. Im Leerlauf lädt sich die n- Seite negativ, die p-seite positiv auf. ie Barriere erniedrigt sich von eu auf e(u -U OL ); U OL Leerlaufspannung bei Einstrahlung.

13 Photostrom z= RLZ z=w S { hν P-Schicht N-Schicht I ph = I ph,drift + I ph,diff L p quasineutrale N- und P-Gebiete sind nahezu feldfrei nur Ladungsträger in der RLZ tragen zum Strom bei die in der RLZ optisch generierten Träger liefern den Hauptbeitrag, den riftphotostrom I ph,drift die in den Neutralgebieten erzeugten Träger müssen erst in die RLZ diffundieren, um als iffusionsphotostrom I ph,diff zum gesamten Photostrom beizutragen die iffusionslängen sollten daher hinreichend groß sein, vergleichbar groß wie der reziproke Absorptionskoeffizient die RLZ sollte breit und oberflächennah sein dünne P-Schicht!

14 riftphotostrom ph,drift W I = ea g(z)dz de η g(z) = (1 ρ) dz h ν az E = E e E =Φ /A S e(1 ρ) η hν aws I = Φ (1 e ) ph,drift P-Schicht dünn gegen 1/a angenommen! Bei Berücksichtigung der icke des P-Gebietes ist dieser Ausdruck noch mit exp(-aw P ) zu multiplizieren!

15 iffusion von Löchern in die RLZ Kontinuitätsgleichung für Löcher im N-Teil, wenn durch Licht g(z) Ladungsträgerpaare pro Volumen- und Zeiteinheit erzeugt und r(z) durch Rekombination vernichtet werden. Generations- und Rekombinationsrate hier ortsabhängig! 1 djp = gz ( ) rz ( ) edx 2 dp d ( p) p g( z) n j = = 2 2 mit p ep dz dz L p p eu pz ( ) rz ( ) = kt p(w S) = pn( e 1) τ p pz ( ) = pn( z) pn L = τ 2 p p p Überschussdichte am Sperrschichtrand durch äußere Spannung U

16 iffusionsphotostrom, Kurzschlussstrom bei Bestrahlung dp = = + S dz aw S e(1 ρ) η a Lpe = Φ hν 1+ a L n eu /(kt) Idiff e A p z= W Iph,diff I S(e 1) I ph,diff p I S Sperrsättigungsstrom = eu /(kt) I I S(e 1) IKL I = I = (I + I ) KL ph ph,drift ph,diff aw S e(1 ρ) η e I KL = Φ(1 ) hν 1+ a L p Bei Kurzschluss (U=) fließt nur der Photostrom I ph in Sperrrichtung! I KL Kurzschlussstrom bei Bestrahlung ist proportional der einfallenden Strahlungsleistung Φ (1 ) 1 a L p aw e S Sammelwirkungsgrad ist über Absorptionskoeffizienten wellenlängen- + Sammelwirkungsgrad ist über Absorptionskoeffizienten wellenlängenabhängig. Er ist auch beeinflusst durch Lage und Weite der RLZ sowie durch iffusionslänge der Minoritätsträger. Ideal : W S 1/a L p!

17 Betriebsarten Kurzschluss (U=): Leerlauf (I=): Photoelement (Solarzelle) Sperrbetrieb: U << - kt/e I s U U = I = I Φ KL KL = = I ph e(1 ρ) η( λ) λ (1 h c e 1+ a W a L p kt KL = UL = ln( + 1) e I S L I ( I ) S + I KL I L S U eu kt S ) kein unkelstrom I S linearer Sensor Wegen I KL Φ logarithmische Strahlungsantwort, waagerechtes Ferminiveau, Barriere um eu L abgesenkt; höherdotierte Halbleiter bzw. solche mit größerem Gap haben größere Photospannung. = R I U / R = I ( e 1) I Generator = Offset durch unkelstrom I S, ansonsten wegen I KL Φ lineare Strahlungsanwort, wegen Sperrspannung über der Photodiode kleinere Sperrschichtkapazität und damit schnellere Antwort KL

18 Kennlinien IV: Kurzschluss- und Leerlaufbetrieb (Photozelle) und III: Sperrbetrieb (Photodiode) eines bestrahlten p-n-übergangs Kurzschlussphotostrom wächst linear mit der Bestrahlungsstärke, Leerlaufphotospannung logarithmisch mit der Bestrahlungsstärke

19 unkelströme unkelstrom i.w. durch den (thermischen) Sperrsättigungstrom proportional zu exp(-e G /kt) gegeben, der stark mit der Temperatur ansteigt, aber auch durch Tunnelströme durch die Sperrschicht und Oberflächenleckströme. unkelstromdichten von p-n-übergängen unterschiedlicher Halbleiter bei T = 3 K

20 Spektrale Empfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge ie spektrale Empfindlichkeit Quantenausbeute Proportionalität zu λ und Sammelwirkungsgrad s = I Φ KL = e(1 ρ) η( λ) λ e (1 h c 1+ a W a L p abhängig von der Wellenlänge. Sie nimmt zu kürzeren Wellenlängen mit der (überschüssigen) Photonenenergie ab. Auch deshalb, weil die Trägern bei kürzerwelliger Einstrahlung näher der Oberfläche generiert werden, wo sie verstärkt rekombinieren, denn länger- welligere Strahlung dringt tiefer ein, kurzwelligere wird oberflächennah absorbiert. Für die UV-etektion werden daher flache p-n-übergänge erforderlich, erzeugt durch Ionenim-plantation. ie nach urchlaufen des Maximums erfolgende Abnahme der Emfindlich-keit ist i.w. durch die Grenzenergie bestimmt, die zur Erzeugung von Trägern min-destens benötigt wird. Im Vergleich zum Photoleiter ist wegen η < 1 und fehlender innerer Verstärkung die Empfindlichkeit der Photodiode kleiner! S ) ist über

21 ynamisches Verhalten von Photodioden Schaltzeiten bzw. Modulationsgrenzfrequenz bestimmt durch Trägerlaufzeit τ 1 im Neutralgebiet(en) zur Sperrschichtgrenze, in der Regel diffusionsbestimmt: τ 1 = 2 W / 2 n,p 2-1 cm 2 /s, W=,1-5 µm: τ 1 = s iffusion relativ langsam gegen rift; für schnelle Photodioden ist oberflächliche p- Schicht daher sehr dünn ausgeführt, die RLZ dagegen breit und negativ vorgespannt. Trägerlaufzeit τ 2 durch die RLZ feldbestimmt: τ 2 = W / S v s v s = cm/s Sättigungsgeschwindigkeit, W S 1 µm: τ s Grenzfrequenz f 2 = 2,78 2πτ ergeben sich für kleine W S große Sperrschichtkapazitäten. 2 hoch für kleine Raumladungsweiten W S, allerdings

22 Photodiodenersatzschaltbild und RC-Zeit Umladezeit τ 3 der Sperrschichtkapazität C S 1 1 Meist dominante Grenzfrequenz f3 = = 2πτ 2πC [ R + R (1 + R / R )] 3 S s L s p C S = 1-1 pf, R L = 5-1 Ω: τ 3 = 5 ps - 1 ns er sehr kleine Serienwiderstand R s der Bahn und Kontaktierung ist ebenso wie der sehr große Parallelwiderstand R p (Innenwiderstand) hier i.d.r. vernachlässigbar. Insgesamt zeigt bei modulierter Einstrahlung die Photodiode Tiefpassverhalten mit der Zeitkonstanten τ = τ 1 + τ 2 + τ 3. Sie ist im Vergleich zum Photoleiter erheblich schneller. Ersatzschaltbild einer Photodiode im Sperrbetrieb

23 Grundbeschaltungen von Photodioden Grundlegende Betriebsschaltungen von Photodioden: a) Photoschaltverstärker: Bei Unterschreitung einer gewissen Bestrahlungsstärke schaltet Transistor durch. b) Photodiode wirkt mit kleinem Lastwiderstand R L << R p als Stromgenerator, Spannungsabfall über kleinem Lastwiderstand wird verstärkt bzw. c) Strom-Spannungswandlung mit arbeitspunktunabhängigem Transimpedanzverstärker (Quasikurzschluss!) d) dto, aber mit Vorspannung und folglich unkelstrom I. e) Photodiode wirkt mit großem Lastwiderstand R L >> R p als Spannungsgenerator, realisiert mit Elektrometerverstärker - logarithmisches Verhalten.

24 Materialien für Photodioden UV Si: UV-enhanced durch ionenimplantierte flache p-n-übergänge,spektralbereich 2-11 nm GaP: nm (Schottky-iode) GaAsP: 3 68 nm SiC: nm VIS, NIR Si: < 1,1 µm GaAlAsSb:,75-1,9 µm Ge:,8-1,7 µm InGaAlAs:,85-1,6 µm InGaAsP: 1, - 1,6 µm MIR, FIR InAs: < 3,5 µm InSb: < 5,6 µm HgCdTe, PbSnTe, PbSnSe: < 15 µm