Ziel: Erhöhung der Grenzfrequenz, erreicht mit PIN-, Lawinen-, Metall-Halbleiter- und Heterodioden

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1 PIN-Photodiode Ziel: Erhöhug der Grezfrequez, erreicht mit PIN-, Lawie-, Metall-Halbleiter- ud Heterodiode PIN-Photodiode: breite eigeleitede Mittelschicht (I) zwische - ud -Teil, Hautsaugsabfall über der Itrisic-Schicht, kostates elektrische Feld im I-Gebiet, wege der größere Breite kleiere Serrschichtkaazität ud folglich kleiere Umladezeit τ 2, Absortio ud Ladugsträgergeeratio hautsächlich i der eigeleitede Schicht, we die der Eistrahlug zugewadte + -Schicht relativ dü ist. Aufbau eier laare PIN-Photodiode Bädermodell im Betriebsfall

2 Otimierug vo PIN-Photodiode Zeitverhalte bestimmt durch Drift im I-Gebiet, Diffusio i de - ud - Neutralgebiete ud durch Umladug der Serrschichtkaazität C S über de Lastwiderstad R L Bei rel. düe - ud -Schichte (< 0,5 µm) ist die Diffusioszeit τ = W icht mehr maßgebed ud die Zeitkostate durch die Driftzeit τ = W/v ud die Umladezeit R L C S bestimmt: W v i τ= + s ε A R W τ wird miimal für i,mi s L z.b. Si: ε = 11,7 ε 0, v s = 10 7 cm/s, A = 10-4 cm 2, R L = 50 Ω W i,mi = 2,2 µm, τ mi = 44 s W = ε A v R i L 2 1,, 2 i s Otimiert ma auf Grezfrequez ud Quateausbeute wird W i gewählt werde zwische W i,mi ud 1/a. Dieser Komromiss ist wellelägeabhägig. Hoher Wirkugsgrad ud gleichzeitig kurze Zeitkostate sid möglich bei seitlicher Eistrahlug! / πd

3 Arbeitsbereiche verschiedeer Photodiode Treugsliie liefert für verschiedee Welleläge die jeweilige 3-dB Grezfrequez, wobei ei Sammelwirkugsgrad vo midestes 60% vorausgesetzt wurde.

4 Kedate vo PIN-Photodiode Nebe Ge ud Si vor allem teräre ud quateräre III-V Verbiduge für de IR -Bereich

5 Bauforme vo PIN-Photodiode Grudstruktur mit Vorder- ud Rückeistrahlug 1: + -IGaAs, 2: -IGaAs, 3: + - IP (Fester), M Metallkotakt Seitliche Eistrahlug Mesabauform: Verrigerug der wirksame Fläche des --Übergags Reduktio der Serrschichtkaazität

6 Lawie-Photodiode (avalache hotodiode: ADP) Lawie-Photodiode Photodiode auf Homo- oder Hetero-, -i, + -, - MS- Basis, bei der durch Lawievervielfachug i der Serrschicht hoher Feldstärke (10 5 V/cm) eie iere Verstärkug erfolgt: Ih = M I h (M = 1) Bädermodell Ioisierugskoeffiziete vo GaAs ud IP als Fuktioe der el. Feldstärke

7 Stoßioisierug Elektro (Loch) eies bei a (b) erzeugte Elektro-Lochaares wird beschleuigt ud erzeugt bei der Bewegug i der Feldzoe i Richtug vom - is -Gebiet (vom -Gebiet is -Gebiet) durch Stoßioisatio eue Elektro-Lochaare. Zuahme der Elektroe Zuahme der Löcher Ioisierugskoeffiziet für Elektroe bzw. für Löcher, abhägig vom Material ud der Feldstärke F Geeratiosrate durch Stoßioisierug - zusätzlich i Kotiuitätsgleichug zu berücksichtige d d =α dx =α dx α =α, α =α, e e F /F F/F G(x) =α (x) v +α (x) v 1 dj() ( ) + G(x) + g(x) = 0 e dx

8 Ioisierugskegröße verschiedeer Halbleiter

9 Multilikatiosfaktore M ud M für Elektroe bzw. Löcher j j M M ( W ) = M (0) = M = α k = α α W = 1 (1 k) e 1 k e = M j j (0) ( W ) α W α (1 k ) W für k << 1 α (1 k ) W 1 = 1 α W Bei alleiiger Elektroeijektio bei x=0 bzw. Löcherijektio bei x=w ud für ortsuabhägige Ioisierugskoeffiziete (tatsächlich über Feldstärke abhägig vom Ort) erhält ma: e 1 e für α 1 kα W = α / k für k >> 1 k << 1: Bei reier Elektroeijektio ud verschwideder Löcherioisierug Verstärkug M bei gleicher Feldstärke F geriger ud weiger stark asteiged mit F k >> 1: Höhere Verstärkug bei gleicher Feldstärke ud stärker asteigede Verstärkug emfidlicher reagiered auf Saugsschwakuge Durchbruch-Bedigug: Jeder ijizierte Träger erzeugt beim Durchgag durch die Serrschicht ei Trägeraar

10 (Nicht)Liearität vo ADP Emirischer Asatz für die iere Verstärkug; α =α 1 M = M = M = U U R I Br Durchbruchsaug, m= 1,4 4 für Si, m 1 ( ) 2,5 8 für Ge U Br Nur für kleie Strome I, so dass RI << U, ud Sauge U < U Br ist der verstärkte Strom I = M I h roortioal dem Photostrom ud somit der Strahlugsleistug liearer Emfäger. Wird U U Br eigestellt, so wird M umgekehrt roortioal I ud I I 1/2 h, die ADP also ichtliear: 1 1 U Br M = R I m R I 1 (1 ) 1 (1 m ) mr I U U I M I = M I = = U Br mr h U Br mr I I h h Br Br

11 Hochfrequezverhalte vo ADP Dyamisches Verhalte i.w. bestimmt durch Trägerlaufzeit; dies ist i etwa die Driftzeit durch die Serrschicht wie bei der PIN- Diode, we die Absortio vor allem i der RLZ erfolgt Serrschichtkaazität (0,1 F 1 F) ud Lastwiderstad (5-50 Ω) Lawieaufbauzeit, bestimmt durch die Zeit τ m zwische zwei Stöße (Eergieaufahme) ud Zeit τ = 1/( α v), i der durch eie rimäre Träger ei Trägeraar erzeugt wird, sowie durch Breite der Multilikatioszoe. Der Gesamtstrom I wächst als Atwort auf eie Stromsrug Astieg des Photostroms bei t = 0 vo 0 auf I h = cost exoetiell mit der Zeitkostate Mτ m a: Verstärkugs-Badbreiterodukt (kostat mit oder ohe Gegekolug des Verstärkers) tyisch 50 GHz 500 GHz I( t) = M I M B = M h (0)(1 e 1 2πMτ m = t /( Mτ ) 1 2πτ m m )

12 Aufbau vo Lawiehotodiode Lawiediode mit ählicher Struktur wie PIN-Diode mit breiter schwach dotierter Zoe, ahe der Durchbruchsaug betriebe. Zur Vermeidug vo Raddurchbrüche wird ei Guard (Schutz)rig i Kotakt mit eier hoch dotierte Zoe gebracht (Feldhomogeisierug). Kleie aktive Fläche mit µm Durchmesser Materialie: Si bis 0,85 µm, III-V- Halbleiter für de 1,3 1,55 µm Bereich Eisatz vor allem i der otische Nachrichtetechik

13 Schottky-Übergag Metall ud Halbleiter getret Elektroeaffiität Metall ud Halbleiter i Kotakt Sat ma de Halbleiter ositiv (egativ) gege das Metall vor, Erhöhug (Eriedrigug) der Barriere Verhalte wie - - Übergag Werde -Halbleiter mit Austrittsarbeit Φ HL ud Metall mit größerer Austrittsarbeit Φ M i Kotakt gebracht, so fließe Elektroe vom Halbleiter is Metall, bis sich eie Barriere aufgebaut hat: Barriere HL M Barriere M HL (Schottky-Barriere) eu = Φ Φ D M HL [ ] Φ = eu + (E E ) =Φ Φ (E E ) =Φ χ B D C F M HL C F M

14 Photoaregug eier Schottky-Diode Äußerer Photoeffekt: E g < hν > Φ B Photoelektroe aus dem Metall i de Halbleiter erhöhe de Sättigugsstrom. Nur Elektroe i Richtug der Barriere ud solche, die bei Stöße kaum Eergie verlore habe, trete i de Halbleiter ud lade diese egativ auf bzw. bewirke im Kurzschluss de relativ kleie Photostrom I KL ( hν Φ ) B 2 Ierer Photoeffekt: hν > E g Elektro-Lochaare werde i RLZ getret. Viel größerer Photostrom (ca. 2 Zeheroteze) als bei äußerem Photoeffekt. Bei sehr hoher Serrsaug auch Lawievervielfachug.

15 Aufbau ud Photostrom vo Schottky-Photodiode m düe Metallschicht mit Atireflexüberzug auf -Schicht z. B. Gold auf -Si oder -GaAs Besoders geeiget als UV-Diode, weil Lichteidrigtiefe da sehr klei ist ( < 0,1 µm) Stromtrasort durch Majoritätsträger, daher sehr hohe Grezfrequez (< 150 GHz) bei gutem Wirkugsgrad (< 70%) Auch Diode herstellbar mit Halbleiter, die sich ur zu eiem Leitugsty dotiere lasse