Übersicht über die Vorlesung

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1 Übersicht über die Vorlesung OE 10.1 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

2 Übersicht Photodetektoren OE 10.2

3 Anwendungen Photodetektoren OE 10.3

4 Übersicht Photodetektoren OE 10.4 Quantendetektoren Thermische Detektoren

5 Grundgrößen Quantendetektoren OE 10.5 iph = e η( λ) G h ν λ = i ph S( λ ) = = η( λ) λ G ph G S Φ η λ c i Φ e h c Photostrom Φ( λ) ν Strahlungsleistung Quantenausbeute int erneverstärkung, Wellenlänge 7 0 < G < 10 Strahlungsempfindlichkeit s 0 λ G λ Abb.: Wellenlängenabhängigkeit der Strahlungsempfindlichkeit bei einem idealen Quantendetektor

6 Prinzip thermischer Detektoren OE 10.6 Φ J C K Temperatur- Sensor Temperaturänderung T elektrisches Signal Wärmekapazität Wärmeleitwert W G K Wärmesenke Thermische Detektoren sind fast immer langsam (~1ms), dafür aber wellenlängenunabhängig. Eine typische Anwendung ist der IR-empfindliche Bewegungsmelder.

7 Übersicht über die Vorlesung OE 10.7 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

8 Die pn-photodiode OE 10.8 I ph = I ph,drift + I ph,diff

9 Bestrahlter p-n-übergang (Sperrschichtphotoeffekt) OE Das 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 0 ein Photostrom in Sperrrichtung. Im Leerlauf lädt sich die n- Seite negativ, die p-seite positiv auf. Die Barriere erniedrigt sich von eu D auf e(u D - U OC ); U OC Leerlaufspannung bei Einstrahlung

10 Kennlinien von Photodioden OE 10.10

11 Berechnung Driftphotostrom OE ph,drift W I = ea g(z)dz de η g(z) = (1 ρ) dz h ν a z E = E e E 0 S = Φ / A e(1 ρ) η = Φ hν aws I (1 e ) ph,drift 0 (p-schicht dünn gegen 1/a angenommen!) z=0 RLZ z=w S { hν p-schicht n-schicht I ph = I ph,drift + I ph,diff L p Bei Berücksichtigung der Dicke des p-gebietes ist dieser Ausdruck noch mit exp(-aw P ) zu multiplizieren!

12 Berechnung Diffusions- und Gesamtphotostrom OE dp dz n p eu /(kt) Idiff = e A Dp + e A Dn = Iph,diff + I S(e 1) I e(1 ρ) η a Lpe Φ hν 1+ a L ph,diff 0 eu /(kt) I = I S(e 1) IKL I = I = (I + I ) KL ph ph,drift ph,diff z= WS z= 0 a W p S dn dz I S Sperrsättigungsstrom unter Vernachlässigung der Absorption in der frontseitigen p-schicht; kein Beitrag von durch Licht in der p-schicht generierten Elektronen Bei Kurzschluss (U=0) fließt nur der Photostrom I ph in Sperrrichtung! a WS e(1 ρ) η e I KL = Φ0(1 ) hν 1+ a L p I KL Kurzschlussstrom bei Bestrahlung ist proportional der einfallenden Strahlungsleistung Φ 0 (1 ) 1 a L p a W e S Sammelwirkungsgrad ist über Absorptionskoeffizienten wellenlängen- + Sammelwirkungsgrad ist über Absorptionskoeffizienten wellenlängenabhängig. Er ist auch beeinflusst durch Lage und Weite der RLZ sowie durch Diffusionslänge der Minoritätsträger. Ideal : W S 1/a L p!

13 OE 10.13

14 OE 10.14

15 Betrieb mit Vorspannung OE Kapazität/Flächeneinheit: C dq eεε 0 N AND = = F du 2 U U N + N ( ) D A D Wächst mit zunehmender Dotierung und fällt mit zunehmender Sperrspannung U < 0

16 Dynamisches Verhalten von Photodioden OE Schaltzeiten bzw. Modulationsgrenzfrequenz bestimmt durch Trägerlaufzeit τ 1 im Neutralgebiet(en) zur Sperrschichtgrenze, in der Regel diffusionsbestimmt: 2 τ = L / 2D (charakteristische Zeit für Diffusion) 1 n,p D n,p 2-10 cm 2 /s, W= 0,1-50 µm: τ 1 = s Diffusion relativ langsam gegen Drift; für schnelle Photodioden ist oberflächliche p-schicht daher sehr dünn ausgeführt, die RLZ dagegen breit und negativ vorgespannt. τ = W / 2 v Trägerlaufzeit τ 2 durch die RLZ feldbestimmt: S s v s = cm/s Sättigungsgeschwindigkeit, W S 1 µm: τ s f = 2,78 Grenzfrequenz 2 hoch für kleine Raumladungsweiten W 2πτ S, 2 allerdings ergeben sich für kleine W S große Sperrschichtkapazitäten.

17 Photodiodenersatzschaltbild und RC-Zeit OE 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 = 1-10 pf,, R L = Ω: τ 3 = 50 ps - 1 ns Der 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

18 Typischer Betrieb von Photodioden OE b) Photodiode wirkt mit kleinem Lastwiderstand RL << Rp als Stromgenerator, Spannungsabfall über kleinem Lastwiderstand wird verstärkt c) Strom-Spannungswandlung mit arbeitspunktunabhängigem Transimpedanzverstärker (Quasikurzschluss!)

19 Übersicht über die Vorlesung OE I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

20 Die pin-photodiode OE Diffusionszone

21 PIN-Photodioden OE Ziel: Erhöhung der Grenzfrequenz, erreicht mit PIN-, Lawinen-, Metall-Halbleiter- und Heterodioden PIN-Photodiode: breite eigenleitende Mittelschicht (I) zwischen p- und n-teil, Hauptspannungsabfall über der intrinischen Schicht, konstantes elektrische Feld im I-Gebiet, wegen der größeren Breite kleinere Sperrschichtkapazität und folglich kleinere Umladezeit τ 3, Absorption und Ladungsträgergeneration hauptsächlich in der eigenleitenden Schicht, wenn die der Einstrahlung zugewandte p + -Schicht relativ dünn ist. Aufbau einer planaren PIN- Photodiode Bändermodell im Betriebsfall

22 Optimierung von PIN-Photodioden OE Zeitverhalten bestimmt durch Drift im I-Gebiet, Diffusion in den p- und n- Neutralgebieten und durch Umladung der Sperrschichtkapazität C S über den Lastwiderstand R L Bei rel. dünnen p- und n-schichten (< 0,5 µm) ist die Diffusionszeit nicht mehr maßgebend und die Zeitkonstante durch die Driftzeit und die Umladezeit R L C S bestimmt: W v i τ = + s ε A R W τ wird minimal für i,min 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,min = 2,2 µm, τ min = 44 ps W = ε A v R i L τ = W / πd 2 1 p,n n,p τ = W / v 2 i s Optimiert man auf Grenzfrequenz und Quantenausbeute wird W i gewählt werden zwischen W i,min und 1/a. Dieser Kompromiss ist wellenlängenabhängig. Hoher Wirkungsgrad und gleichzeitig kurze Zeitkonstante sind möglich bei seitlicher Einstrahlung!

23 Quanteneffizienzen von PIN-Photodioden OE 10.23

24 Übersicht über die Vorlesung OE I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien IV. Halbleiterleuchtdioden V. Optik in Halbleiterbauelementen VI. Laserdioden VII. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VIII. Quantendetektoren VIII.1 pn-photodioden VIII.2 pin-photodioden VIII.3 Avalanche Photodioden VIII.4 Photowiderstände VIII.5 Photomultiplier IX. Thermische Detektoren X. Nachweisgrenzen und Rauschen XI. Bildsensoren

25 Verschiedene Betriebsmodi von Photodioden OE (1) Leerlauf (2) Leistungsempfang (3) Kurzschluss (4) Fotodiodenbetrieb (FD) (5) Avalanche - Betrieb (APD) (6) Single - Photon - Detektion (Quenching)

26 Lawinen-Photodioden (Avalanche Photodiode: APD) OE Lawinen-Photodiode Photodiode auf Homo- oder Hetero-pn, -pin, p + p - n, - MS-Basis, bei der durch Lawinenvervielfachung in der Sperrschicht hoher Feldstärke (10 5 V/cm) eine innere Verstärkung erfolgt: Bändermodell I = M I ph Die innere Verstärkung ist vorteilhaft bei sehr geringen Strahlungsleistungen.

27 Stoßionisierung OE Elektron (Loch) eines bei a (b) erzeugten Elektron-Lochpaares wird beschleunigt und erzeugt bei der Bewegung in der Feldzone in Richtung vom p- ins n-gebiet (vom n-gebiet ins p-gebiet) durch Stoßionisation neue Elektron-Lochpaare. Zunahme der Elektronen Zunahme der Löcher Ionisierungskoeffizienten für Elektronen bzw. für Löcher, abhängig vom Material und der Feldstärke F Generationsrate durch Stoßionisierung - zusätzlich in Kontinuitätsgleichung zu berücksichtigen dn dp = α n dx n = α p dx α = α p n n, α = α p p, e e E / E n E / E p G(x) = α n(x) v + α p(x) v n n p p 1 djn(p) ( ) + G(x) + g(x) = 0 e dx

28 Stoßionisierung OE Abb. Ionisierungskoeffizienten für verschiedene III-V Halbleitermaterialien Abb. Temperaturabhängigkeit der Multiplikationsfaktoren bei versch. APDs

29 Lawinen-Photodioden (Avalanche Photodiode: APD) OE Ausnutzung von inhomogenen elektrischen Feldern

30 Lawinen-Photodioden (Avalanche Photodiode: APD) OE 10.30

31 OE 10.31