Кратко — последовательность процессов и влияние ключевых параметров.
Как возникает фототок
- Поглощение: фотон с энергией $h\nu \ge E_g$ создаёт электронно-дырочную пару. Профиль генерации вдоль глубины:
$$G(x)=\alpha {\Phi }_0{e}^{-\alpha x},$$ где $\alpha (\lambda )$ — коэффициент поглощения, ${\Phi }_0$ — поток фотонов на поверхность.
- Разделение носителей: пары, созданные в области перехода (области обеднения с электрическим полем $E$), быстро разгоняются и выносятся дрейфом; пары, созданные в нейтральных областях, должны диффундировать к области перехода.
- Выходной фототок (при идеальной коллектции):
$$I_{ph}=qA{\int }_0^{\infty }G(x)P_{coll}(x)dx,$$ где $A$ — площадь, $P_{coll}(x)$ — вероятность сбора носителя, учитывающая рекомбинацию и удалённость от перехода.
Роли рекомбинации, диффузии и поля
- Электрическое поле (область перехода):
- Быстро отделяет и уносит носители дрейфом, практически без рекомбинации; обеспечивает почти полную коллектцию для пар, созданных внутри ширины обеднения $W$.
- Дрейфовая скорость $v_d=\mu E$ (ограничивается насыщением $v_{sat}$), время пролёта через область:
$$t_{tr}=\frac{W}{v_d}.$$ - Диффузия (нейтральные области):
- Носители движутся к области перехода за время порядка диффузионного:
$$t_{diff}\sim \frac{L^2}{D},L=\sqrt{D\tau },$$ где $D$ — коэффициент диффузии, $\tau$ — время жизни носителей, $L$ — диффузионная длина.
- Если $t_{diff}\gtrsim \tau$, значительная часть носителей рекомбинирует до сбора.
- Рекомбинация:
- Объёмная (SRH, радиативная, Оже) уменьшает $P_{coll}(x)$ для носителей в нейтральных слоях.
- Поверхностная рекомбинация с скоростью $S$ критична для поглощения близко к поверхностям.
- Эффективная вероятность сбора из нейтральной области убывает как $e^{-d/L}$ (где $d$ — расстояние до перехода).
Параметры чувствительности
- Квантовая эффективность $\eta$ (число собранных пар на фотон):
$$\eta ={\int }_0^{\infty }\alpha e^{-\alpha x}{P}_{coll}(x)dx.$$ - Отношение отклика (responsivity):
$$R=\eta \frac{q\lambda }{hc}.$$ - Шумы и порог чувствительности: тёмный ток $I_d$ (штатный шум-шот) и термошум в нагрузке ограничивают минимально детектируемую мощность. Показатели:
$$\text{NEP}=\frac{i_n}{R},D^{\ast }=\frac{\sqrt{A\Delta f}}{\text{NEP}},$$ где $i_n$ — токовый шум в полосе $\Delta f$.
Параметры быстродействия
- Основные временные ограничения:
- Дрейф/транзит в области перехода: $t_{tr}=W/v_d$.
- Диффузионный вклад от нейтральных слоёв: $t_{diff}\sim L^2/D$.
- RC-ограничение: ${\tau }_{RC}=R_L{C}_d$ (где $C_d$ — ёмкость перехода, $R_L$ — нагрузка).
- Приближённая полоса пропускания:
$$f_{-3\text{dB}}\sim \frac{1}{2\pi {\tau }_{tot}},{\tau }_{tot}\approx \sqrt{t_{tr}^2+t_{diff}^2+{\tau }_{RC}^2}.$$
Практические следствия и инженерные trade‑offs
- Увеличение обратного смещения увеличивает $E$, уменьшает $t_{tr}$ и $C_d$ (увеличивает скорость), но повышает тёмный ток и шум.
- Увеличение $W$ и толщины поглощающего слоя повышает $\eta$ (чувствительность) для длинноволнового света, но увеличивает $t_{tr}$ и $C_d$ (замедляет устройство).
- Снижение площади уменьшает $C_d$ и шум, но снижает абсолютный фототок.
- PIN-конструкция: тонкий i‑слой даёт большое $W$ с сильным полем — компромисс между сбором и скоростью.
- Усиление (APD) повышает чувствительность, но добавляет шум умножения и снижает скорость/надежность.
Коротко: фототок возникает из генерации пар, эффективную коллектцию обеспечивает электрическое поле в обеднённой зоне; диффузия и рекомбинация в нейтральных слоях ограничивают сбор и скорость. Быстродействие контролируют $t_{tr}$, $t_{diff}$ и ${\tau }_{RC}$; чувствительность — квантовая эффективность $\eta$, тёмный ток и шум.