Leseprobe
P
HYSIKALISCHES
I
NSTITUT
DER
B
AYERISCHEN
J
ULIUS-
M
AXIMILIANS-
U
NIVERSITÄT
W
ÜRZBURG
E
XPERIMENTELLE
P
HYSIK
III / MBE
Diplomarbeit
Herstellung und Charakterisierung
von Photodioden auf der Basis von BeMgZnSe
Johannes Sieß
Würzburg, April 1999
I
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ... III
Verzeichnis der Tabellen ... V
Einleitung ... 1
1. Theorie der p-i-n Diode ... 4
1.1. Halbleiterdiode, Photodiode, oder Photodetektor ... 5
1.1.1. Quantenwirkungsgrad
-
Responsivität
...
5
1.1.2. Die p-i-n Photodiode ... 10
1.1.3. Anforderungen für Detektor-Bauelemente ... 14
1.2. Materialsysteme
... 16
1.2.1. Substrate
... 16
1.2.2. BeTe-Puffer,
BeTe-Barriere
...
17
1.2.3. Aktive Schichten: BeMgZnSe und BeZnSe ... 19
1.2.4. Der
Metall-Halbleiter-Übergang
...
20
2. Experimente
... 21
2.1. MBE - p-i-n - Wachstum ... 21
2.2. Technologie - Photolithographie ... 23
2.3. Charakterisierung
... 24
2.3.1. Defektätzen
...
25
2.3.2. HR-XRD Hochauflösende Röntgendiffraktometrie ... 25
2.3.3. Photolumineszenz
...
27
2.3.4. Strom-Spannungs-Kennlinien
...
29
2.3.5. Ermittlung der Quanteneffizienz ... 31
3. Ergebnisse
... 35
3.1. Detektoren im Sichtbaren ... 37
3.1.1. CB1001:
64
% Quanteneffizienz ... 37
3.1.2. CB1081
... 40
3.1.3. CB987: ITO statt n-BeMgZnSe ... 42
3.1.4. Supergitter
-
Dioden
...
46
3.1.5. Defekte
... 51
3.2. Solar
Blind
Detektoren
...
52
3.2.1. CB1176:
UV-Detektor
...
52
II
3.2.2. CB1105
... 54
3.2.3. CB1065 und CB1114 ... 56
3.2.4. Defekte
... 58
3.3. Dioden auf Silizium ... 59
3.3.1. Strukturelle
Qualität
...
59
3.3.2. Strom-Spannungs-Kennlinien
...
60
3.4. Vergleichende
Betrachtungen
...
61
3.4.1. Quanteneffizienz und Stromdichte ... 61
3.4.2. Quanteneffizienz und Gitteranpassung ... 62
3.4.3. Kommerzielle Si- und GaN-Detektoren ... 63
3.5. Anwendungen:
UV-Bestrahlung
...
65
3.6. Ausblick
... 67
Zusammenfassung ... 69
Literaturverzeichnis ... 70
III
Abbildungsverzeichnis
1.1 Allgemeiner Photodetektionsprozeß einer Photodiode. ... 8
1.2 Ersatzschaltbild einer Photodiode. ... 9
1.3 Arbeitsweise einer p-i-n - Photodiode. ... 11
1.4 Die Quanteneffizienz für verschiedene Halbleiter-Detektormaterialien ... 15
1.5 Bandstrukturen der Photodetektoren auf GaAs und Si ... 16
1.6 Schematische Darstellung der direkten und indirekten Bandlücken für GaAs und BeTe. 18
1.7 Bandlücke über Gitterkonstante verschiedener Halbleitermaterialien.. ... 19
2.1 Querschnitt der p-i-n Photodetektoren auf GaAs und auf Si. ... 22
2.2 Die Struktur der Photodioden ... 23
2.3 Die Konfiguration des Röntgendiffraktometers ... 26
2.4 In Photolumineszenz beobachtbare strahlende Übergänge ... 27
2.5 Vergleich der PL eines Photodetektors mit dessen Quanteneffizienz.. ... 29
2.6 Lineare und halblogarithmische Darstellung der I-V-Kennlinien der Proben. ... 30
2.7 Aufbau des Spektrometer-Meßstandes. ... 31
2.8 Responsivität der Si-Diode und Strahlungsspektren der Halogen- und Xenonlampe. ... 32
2.9 Mit verschiedenen Lampen und Diodenflächen ermittelte Quanteneffizienzen. ... 34
3.1 CB1001: Photolumineszenz und Quanteneffizienzspektren ... 38
3.2 Strom-Spannungs-Kennlinien der CB1001. ... 39
3.3 Gitteranpassung von BeMgZnSe bei der CB1001 ... 39
3.4 CB1081: Photolumineszenz und Quanteneffizienzspektrum. ... 40
3.5 Strom-Spannungs-Kennlinie der CB1081 ... 41
3.6 CB1081: Gitteranpassung von BeMgZnSe ... 42
3.7 Schichtfolge der CB987: ITO statt n-dotiertes BeMgZnSe. ... 43
3.8 CB987: Photolumineszenz und Quanteneffizienzspektren. ... 43
3.9 I-V-Kennlinien der CB987 ... 44
3.10 CB987: Gitteranpassung von BeMgZnSe ... 45
3.11 Supergitter-Diode CB1201: Photolumineszenz und Quanteneffizienzspektrum ... 47
3.12 Supergitter-Diode CB1193: Photolumineszenz und Quanteneffizienzspektrum ... 47
3.13 Strom-Spannungs-Kennlinien der Supergitter-Diode CB1201 ... 48
3.14 Strom-Spannungs-Kennlinien der Supergitter-Diode CB1193 ... 49
3.15 CB1193: Gitteranpassung von BeMgZnSe ... 50
IV
3.16 CB1201: Gitteranpassung des BeMgZnSe ... 50
3.17 CB987 und CB1081: Ätzgrübchendichte (EPD) ... 51
3.18 CB1001 und CB1201: EPD ... 51
3.19 Quanteneffizienz und Photolumineszenz der CB1176. ... 52
3.20 Strom-Spannungs-Kurve der CB1176. ... 53
3.21 Gitteranpassung des BeMgZnSe bei dem UV-Detektor CB1176 ... 54
3.22 Quanteneffizienz und Photolumineszenz der CB1105. ... 54
3.23 I-V-Kennlinie der CB1105 ... 55
3.24 Gitteranpassung des BeMgZnSe bei der CB1105 ... 55
3.25 Quanteneffizienzspektren der Proben CB1114 und CB1065 ... 56
3.26 Strom-Spannungs-Kennlinien der CB1114 und CB1065 ... 57
3.27 (004)-Reflexe der CB1114 und CB1065 ... 57
3.28 EPD der CB1114 und CB1176 ... 58
3.29 (004)-Rocking-Kurven der Si-Proben Si59 und Si60. ... 60
3.30 I-V-Kennlinien der Proben Si59 und Si60 ... 60
3.31 Zunahme der Quanteneffizienz in Abhängigkeit von der Dunkelstromdichte ... 61
3.32 Quanteneffizienz: Abhängigkeit von der Beleuchtungsstromdichte. ... 62
3.33 Quantenwirkungsgrad in Abhängigkeit von der Gitterfehlanpassung. ... 63
3.34 Vergleich der CB1001 mit einer kommerziellen Siliziumdiode ... 64
3.35 Messungen natürlicher Lichtquellen mit den BeMgZnSe-Detektoren ... 65
3.36 Verhältnis des Photostroms der CB1001 zum Strom der CB1176: UV-A ... 66
3.37 Wellenlängenselektiver Detektor und Zweifarbendetektor ... 68
V
Verzeichnis der Tabellen
1 Einteilung des UV-Spektrums. ... 1
2 Bereiche des UV-Spektrums: UV-A, -B, -C. ... 1
1.1 Vergleich der oberen Detektionsgrenze verschiedener Halbleitermaterialien ... 7
1.2 Absorptionskoeffizienten einiger Stoffe und deren Absorptionslängen. ... 14
3.1 Daten aller BeMgZnSe Dioden. ... 36
3.2 Si-Dioden: Daten der Rocking-Kurven. ... 59
3.3 Vergleich der BeMgZnSe-Detektoren mit einem GaN-Detektor. ... 64
1
Einleitung
Im Mittelalter galt Blässe als Zeichen höheren Standes, in unserer Zeit wird der Teint einer
Haut nur dann als gesund empfunden, wenn er dunkel ist. Für die Bräunung der menschlichen
Haut ist der UV-Anteil des Spektrums verantwortlich - es wird oft von UV-A- und UV-B-
Strahlung gesprochen, welche Auswirkungen außer Sonnenbrand sie aber auf den Menschen
hat, und in welchem Spektralbereich sie sich befindet, wird nur selten erwähnt.
Es gibt unterschiedliche Einteilungen des UV-Spektrums, für die physikalische Notation
sollte folgende verwendet werden:
nahes UV
NUV
400 - 300 nm
mittleres UV
MUV
300 - 200 nm
fernes UV
FUV
200 - 100 nm
extremes UV
EUV
100 - 10 nm
Tabelle 1
Einteilung des UV-Spektrums, die bei wissenschaftlichen Arbeiten verwendet werden sollte.
Vielfach werden allerdings auch Einteilungen in andere Spektralbereiche verwendet. Diese
leiten sich aus den physikalischen Gegebenheiten ab - Wellenlängen unter 250 nm bis 110 nm
werden von molekularem Sauerstoff der Atmosphäre absorbiert [20] und können nur im
Vakuum ohne Verluste detektiert werden (Vakuum UV) - oder sie stammen von ihrer
biologischen Wirkung auf den Menschen (UV-A, UV-B).
Vakuum UV
VUV
200 - 10 nm
tiefes UV (deep UV)
DUV
350 - 190 nm
UV-A
400 - 315 nm
UV-B
315 - 280 nm
UV-C
280 - 100 nm
Tabelle 2
Bereiche des UV-Spektrums, die zusätzlich zu denen aus Tabelle
1 verwendet werden und im
allgemeinen Sprachgebrauch (UV-A, -B, -C) bekannt sind.
2
Um zu zeigen, weshalb das Augenmerk dieser Arbeit auf eine Detektion im Ultravioletten
gelegt wurde, wird im folgenden die biologische Wirkung von UV-Strahlung näher
beschrieben.
UV-A regt Fluorochromen- (Farbstoff für Zell- und Gewebestrukturen, z.B. zur
kontrastreichen mikroskopischen Darstellung) und Luminophoren-Fluoreszenz an (kaltes
Selbstleuchten ohne Wärmeschwingungen - dies findet z.B. Anwendung bei Leuchtschirmen,
z.B. im Oszillograph oder im Elektronenmikroskop). Außerdem bewirkt UV-A die
Dunkelfärbung von (UV-B
-induzierten) Pigmentkörperchen. UV-A-Strahlung wird daher
auch Bräunungsstrahlung genannt. UV-B bewirkt Photosynthese des Vitamins D, aber auch
entzündliches Erythem (Hautrötung infolge Erweiterung und vermehrter Füllung der
Blutgefäße), UV-C bewirkt neben Erythemen auch Licht-Konjunktivitis
(Bindehautentzündung), und kann die Bakterienflora der menschlichen Haut stören [1].
Die zellzerstörende Wirkung der UV-C Strahlung auf Viren, Bakterien, und Bakteriophagen
wird vielseitig therapeutisch sowie technisch zur Luftentkeimung und Sterilisation ausgenutzt.
Diese Strahlung wird als Photochemotherapie daher zur Luft- und Oberflächenentkeimung
(z.B. in Labors oder Operationsräumen) verwendet, ist jedoch bei Anwesenheit von
Menschen umstritten. Ultraviolettbestrahlung mit UV-B und UV-C wird zur Entkeimung von
Milch verwendet bei gleichzeitiger Anreicherung mit Vitamin D. Bei kleiner Dosierung von
UV-B und UV-A Strahlung werden Stoffwechsel, Atmung, Kreislauf, Blutbeschaffenheit,
Drüsenfunktion und Allgemeinzustand des Menschen meist günstig beeinflußt sowie eine
Pigmentierung (Bräunung) der Haut bewirkt. Eine Überdosierung kann allerdings zu
Schädigungen des Organismus führen (z.B. Sonnenbrand, Bindehautentzündung, oder
Ophtalmie - Entzündung der Augenschichten) [2].
Es ist daher wichtig, die UV-Bestrahlung des menschlichen Körpers zu kontrollieren und
nötigenfalls zu beschränken. Kleine handliche Detektoren, die nur in diesem Spektralbereich
empfindlich sind, würden dem Einzelnen eine Möglichkeit geben, jederzeit über die
momentane UV-Strahlenbelastung informiert zu sein.
Weitere Anwendungen für UV-Detektoren sind denkbar zur Umweltanalyse oder auch in
unwirtlichen Umgebungen, wie zur Überwachung von Verbrennungsprozessen, bei denen
immer UV-Emission auftritt, die aus der Emission von Verbrennungsprodukten (z.B.
Stickstoff) stammt. Diese sind abhängig von der Temperatur. Durch die selektive
Überwachung der UV-Emission ließe sich eine Verbrennung schadstoffarm regeln.
UV-Halbleiterdetektoren bieten die Möglichkeit, die Größe optischer Bauteile zu verringern.
Bisher wurden zur Detektion von UV-Strahlung Siliziumdetektoren mit vorgeschalteten
3
Filtern verwendet, ein hoher Dunkelstrom und die Schwächung der Strahlung durch die Filter
machen diese Detektoren aber sehr uneffektiv und oft ist eine Kühlung des Halbleiters
notwendig. Andere Detektoren sind Photomultiplier, aber auch diese benötigen Filter und
immer Kühlung. Als vielversprechendes Material wird auch Galliumnitrid genannt, dessen
Cut-off jedoch bei 365
nm liegt, wodurch man einen Teil des UV-A-Spektrums nicht
detektieren kann.
Mittels Molekularstrahlepitaxie ist es in Würzburg gelungen, lichtemittierende
Halbleiterbauelemente aus Beryllium-Chalkogeniden herzustellen [23] mit Bandlücken, die
an der Grenze zwischen sichtbarem und ultraviolettem Licht liegen. In dieser Arbeit wird
daher versucht, aus diesem Material p-i-n Photodetektoren herzustellen. Dazu wird im 1. und
2. Kapitel die dazu nötige Theorie beschrieben , sowie die praktischen Grundlagen vermittelt.
Im 3. Kapitel werden dann alle Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefaßt und erörtert.
4
1. Theorie der p-i-n Diode
Für das Verständnis der Wirkungsweise der in dieser Arbeit untersuchten p-i-n Dioden ist es
notwendig, die physikalischen Eigenschaften von Halbleiterkristallen zu kennen. Die
Entstehung von Energiebändern, die Begriffe Leitungsband, Valenzband, Bandlücke und
effektive Masse, sowie der Prozeß der Anregung von Elektronen in einem Halbleiterkristall
sollten ebenso bekannt sein wie die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von
intrinsischen und dotierten Halbleitern, die Begriffe Ladungsträgerkonzentration,
Störstellenleitung, Akzeptor und Donator. Da diese Diplomarbeit zum Teil auf die
Erfahrungen der Arbeiten von Andreas Gerhard [3] und Christian Koch [4] über Dioden auf
der Basis von ZnSe aufbaut und darin ausführlich auf die Theorie von Bändern eingegangen
wurde, wird an dieser Stelle auf diese beiden Arbeiten sowie auf Standardlehrbücher zur
Festkörperphysik (z.B. [5], [6], [7]) verwiesen.
Für eine hohe Quanteneffizienz von Photodioden bei Raumtemperatur muß die
Eigenleitfähigkeit des Halbleitermaterials gering sein. Diese ist abhängig von der
Temperatur
T und der Größe der BandlückeE
g
, also von dem Verhältnis
1
T
k
E
B
g
. Die
Elektronenkonzentration bei Eigenleitung nimmt also mit steigender Temperatur zu und mit
steigender Bandlücke ab. Es gibt somit zwei Möglichkeiten, die Eigenleitung von Halbleitern
herabzusetzen: durch Kühlung des Halbleiters, sowie durch Verwendung von Materialien mit
großen Bandlücken. In Photodetektoren stellt die Bandlücke des aktiven Halbleitermaterials
die energetische Detektionsgrenze, den Cut-off, dar, unterhalb der die Diode transparent zu
einfallender Strahlung ist. Hier liegt die Chance von Be-Chalkogeniden als Basismaterial für
Solar Blind Ultraviolett Photodetektoren, deren hohe Bandlücken eine Möglichkeit bieten,
den Cut-off im Prinzip zwischen 2,8
eV und 4,4eV einzustellen. Solar Blind oder Visible
Blind sind hierbei feststehende Begriffe die Übersetzungen ins Deutsche sind nicht
gebräuchlich.
1
k
B
ist die Boltzmann-Konstante
5
1.1. Halbleiterdiode, Photodiode, oder Photodetektor
In Halbleiterdioden einfallende Photonen treten mit den Elektronen innerhalb des aktiven
Materials in Wechselwirkung und werden dabei absorbiert. Die einfallende Strahlung
generiert dabei Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die durch das elektrische Feld der p-i-
n Diode getrennt werden und dadurch Photostrom erzeugen, der in einem externen Stromkreis
ein Signal erzeugt. Halbleiterdioden zeigen eine Wellenlängenabhängigkeit und oft eine
Linearität zum einfallenden Photonenfluß.
Eine Photodiode besitzt eine verarmte Zone mit einem hohen elektrischen Feld, das die
erzeugten Elektron-Loch-Paare trennt. Diese muß für schnelle Detektion dünn sein, um die
Transportzeit zu verkürzen. Für eine hohe Quanteneffizienz, die Zahl der erzeugten Elektron-
Loch-Paare pro einfallendem Photon, muß die Verarmungszone jedoch genügend dick sein,
um einen ausreichend großen Anteil der einfallenden Strahlung zu absorbieren. Man muß
daher einen Kompromiß zwischen Reaktionszeit und Quanteneffizienz finden.
Eine Photodiode kann ohne angelegte (Bias-) Spannung betrieben werden, d.h. sie wird
lediglich mit einem Widerstand, gewöhnlich einem Meßgerät, verbunden, ähnlich einer
Solarzelle. Gegenüber einer Solarzelle soll eine Photodiode jedoch nur in einem bestimmten
Spektralbereich sensitiv sein, Solarzellen dagegen über einen großen Spektralbereich hohe
Responsivität besitzen. Außerdem sind Photodioden gegenüber Solarzellen klein - sowohl in
ihrer Dicke als auch in ihrer Fläche - um die Kapazität niedrig zu halten. Bei Photodetektoren
wird die Quanteneffizienz
1
und die Responsivität
2
als charakteristische Größen angegeben, bei
Solarzellen jedoch der Leistungswirkungsgrad, der den Anteil der erzeugten Leistung zur
einfallenden Leistung beschreibt.
1.1.1. Quantenwirkungsgrad - Responsivität
Die Quanteneffizienz, auch Quantenwirkungsgrad genannt, ist definiert als Zahl der Elektron-
Loch-Paare, die pro einfallendem Photon generiert werden:
1
Zahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare pro einfallendem Photon (siehe Gleichung 1.1)
2
Verhältnis des erzeugten Photostroms zur optischen Leistung (siehe Gleichung 1.2)
6
h
P
q
I
opt
P
(1.1)
mit
I
P
dem Photostrom , der durch die Absorption der einfallenden optischen Leistung
P
opt
generiert wird bei einer Wellenlänge
, die einer Photonenenergie
h
entspricht.
Eine weitere Größe zur Beschreibung einer Photodiode, die eng mit der Quanteneffizienz
zusammenhängt, ist die Responsivität, das Verhältnis des Photostroms zur optischen
Leistung:
W
A
m
h
q
P
I
opt
P
24
,
1
(1.2)
für eine ideale Photodiode mit
=
1, ist
=
(
/1,24)(A/W), wobei
in Mikrometer
angegeben wird.
Eine der wichtigsten Größen, die die Quanteneffizienz bestimmt, ist der
Absorptionskoeffizient
(
). Er ist eine Stoffkonstante mit der Dimension m
-1
und ergibt sich
aus der Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch Materie durch Umwandlung in
andere Energieformen [8]:
I
dx
dI
)
(
(1.3)
Durch Integration ergibt sich der Intensitätsverlust in einer Schichtdicke x, und somit das
Absorptionsgesetz, auch Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz genannt:
x
e
I
x
I
)
(
)
0
(
)
(
(1.4)
Der Absorptionskoeffizient
(
) ergibt sich aus der komplexen dielektrischen Funktion
)
(
)
(
)
(
2
1
i
und ist damit wellenlängenabhängig. Der Absorptionskoeffizient
entspricht abgesehen von einem Vorfaktor - dem Extinktionskoeffizienten
(
) [15, 16], der
wiederum bestimmt ist durch die Gleichung
)
(
4
2
)
(
)
(
)
(
)
(
2
1
1
2
1
2
2
2
1
(1.5)
und sich mit dem realen Brechungsindex n(
)
2
1
1
2
1
2
2
2
1
2
)
(
)
(
)
(
)
(
n
(1.6)
7
zum komplexen Brechungsindex n
*
(
) ergänzt, der aber seinerseits wieder mit der
dielektrischen Funktion verknüpft ist:
2
1
*
)
(
)
(
)
(
)
(
i
n
n
. (1.7)
Somit ist es möglich durch optische Messungen an Halbleitermaterialien, wie z.B. Infrarot-
oder Raman-Spektroskopie [9], die dielektrische Funktion zu ermitteln, um daraus
Brechungsindex und Absorptionskoeffizient zu berechnen.
Der Wellenlängenbereich, in dem genügend Photostrom erzeugt wird, ist für jedes
Halbleitermaterial begrenzt. Die obere Detektionsgrenze für lange Wellenlängen über
c
1
wird bestimmt durch die Energielücke E
g
2
des Halbleitermaterials (siehe Tabelle 1.1):
g
c
E
hc
(1.8)
Material Si GaAs
GaN
BeTe
BeZnSe
BeMgZnSe
c
[nm]
1100 870 365
direkt: 280
(indirekt: 480)
auf GaAs: 450
auf Si: 335
auf GaAs: 285-450
auf Si: 270-335
Tabelle 1.1 Vergleich der oberen Detektionsgrenze
c
für verschiedene Halbleitermaterialien bei
Raumtemperatur. Man sieht, daß Be(Mg)ZnSe dafür geeignet ist, sowohl auf GaAs sowie auf Si
gitterangepaßt p-i-n UV-Detektoren herzustellen.
Für Wellenlängen, die größer als
c
sind, ist
zu klein, um meßbar zu absorbieren. Die untere
Detektionsgrenze ist eine Folge der sehr großen Werte für
10
5
cm
-1
, wodurch einfallende
Strahlung sehr nahe der Oberfläche absorbiert wird, wo die Rekombinationszeit sehr kurz ist.
Die photoinduzierten Ladungsträger können dadurch rekombinieren, bevor sie die
Verarmungszone erreichen.
Um den Hintergrundstrom einer Photodiode zu ermitteln, betrachten wir einen
Detektionsprozeß, wie er in Abbildung 1.1 gezeigt ist.
1
c steht für englisch cut-off: abschneiden
2
g steht für englisch gap: Lücke
8
Abbildung 1.1 Allgemeiner Photodetektionsprozeß einer Photodiode [10].
Die Photodiode absorbiert ein optisches Signal sowie die Hintergrundstrahlung. Dabei werden
Elektron-Loch-Paare erzeugt. Die Elektronen und Löcher werden dann durch das elektrische
Feld getrennt und zu den dotierten Bereichen der Photodiode getrieben. Elektronen in den n-
dotierten Bereich, Löcher in den p-dotierten. Dabei wird in einem externen Widerstand ein
Strom induziert, der sich aus dem optischen Signal, der Hintergrundstrahlung und dem
Rauschen zusammensetzt.
Nach Gleichung (1.4) ist der Photostrom, der durch das optische Signal induziert wird
h
qP
I
opt
P
. (1.9)
Legt man ein moduliertes optisches Signal P(
) zugrunde,
t
j
opt
me
P
P
1
)
(
(1.10)
mit P
opt
der durchschnittlichen Leistung des optischen Signals, m dem Modulationsindex, und
der Modulationsfrequenz, dann ist die effektive Signalleistung
2
/
opt
mP
, und der effektive
Signalstrom
h
qmP
i
opt
P
2
. (1.11)
Der Strom, der durch die Hintergrundstrahlung erzeugt wird, ist I
B
1
, der durch thermische
Anregung induzierte Dunkelstrom ist I
D
. Da diese Ströme nicht kontinuierlich erzeugt
werden, tragen sie alle zu einem Schrotrauschen bei, gegeben durch:
B
I
I
I
q
i
D
B
P
s
2
2
(1.12)
mit der Frequenzbandbreite B. Je größer also der detektierte Wellenlängenbereich wird, je
kleiner also die Frequenzbandbreite, desto kleiner wird der durch Schrotrauschen
beigetragene Strom.
1
B für background: Hintergrund
9
Ein Ersatzschaltbild für eine Photodiode ist in Abbildung 1.2 dargestellt. Alle dort
eingetragenen Größen sind mit der Photodiode verknüpft. C
j
1
bezeichnet die Kapazität des
p-n
-Übergangs, R
j
ist der Widerstand des p-n
-Übergangs, und R
S
der Serienwiderstand. R
L
2
bezeichnet einen externen Widerstand und R
i
ist der Eingangswiderstand eines nachfolgenden
Verstärkers. Alle Widerstände tragen zusätzliches thermisches Rauschen bei, wobei der
Serienwiderstand R
S
jedoch gewöhnlich vernachlässigt werden kann.
Abbildung 1.2 Ersatzschaltbild einer Photodiode [10]. Die Widerstände R und die Ströme i sind im Text näher
erläutert.
Der Strom, der durch thermisches Rauschen im gesamten Photodetektor erzeugt wird, kann
also mit Hilfe von Abbildung 1.2 beschrieben werden durch
B
R
kT
i
g
T
1
4
2
, (1.13)
wobei der Gesamtwiderstand bestimmt ist durch
i
L
j
g
R
R
R
R
1
1
1
1
. (1.14)
Das Signal-Rausch-Verhältnis S/N (signal to noise) wird dann beschrieben durch
g
D
B
P
opt
g
T
s
g
p
power
R
B
kT
B
I
I
I
q
h
P
q
R
i
i
R
i
N
S
4
2
2
1
2
2
2
2
. (1.15)
Durch Auflösung dieser Gleichung nach P
opt
läßt sich die minimale optische Leistung
errechnen, die notwendig ist, um ein bestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten:
1
j für junction: Anschluß, Übergang
2
L für load: Last
10
2
1
min
1
1
2
N
S
qB
I
N
S
B
h
P
g
opt
(1.16)
mit dem Gesamtstrom
g
D
B
g
qR
kT
I
I
I
2
. (1.17)
Für den Grenzfall
1
N
S
qB
I
g
wird die minimale optische Leistung bestimmt durch das
'Photonenrauschen', das durch das optische Signal selbst erzeugt wird. Für den anderen
Grenzfall
1
N
S
qB
I
g
dominiert die Hintergrundstrahlung und/oder das thermische
Rauschen des effektiven Widerstandes. In diesem Fall ist die sogenannte Noise Equivalent
Power NEP, die optische Leistung, die nötig ist, um bei einer Bandbreite von 1 Hz ein Signal-
Rausch-Verhältnis S/N
=1 zu erhalten:
2
1
2
2
1
2
Hz
cm
W
q
I
h
NEP
g
. (1.18)
Um also die Sensitivität einer Photodiode zu erhöhen, müßten sowohl die Quanteneffizienz
als auch der effektive Widerstand R
g
erhöht, sowie der Hintergrundstrom I
B
und der
Dunkelstrom I
D
(vergleiche Gleichung 1.17) erniedrigt werden.
1.1.2. Die p-i-n Photodiode
Bei einer p-i-n Photodiode läßt sich die Dicke der Verarmungszone, d.h. der intrinsischen
Schicht, anpassen, um die Quanteneffizienz zu optimieren. In Abbildung 1.3 ist der
schematische Aufbau einer p-i-n Diode und das Banddiagramm unter Rückwärtsspannung
gezeigt [12]. Anhand dieser Abbildung läßt sich die Arbeitsweise einer p-i-n Photodiode im
Detail beschreiben.
Lichtabsorption führt zur Bildung von Elektron-Loch-Paaren im gesamten Halbleiter. Diese
werden sowohl in der Verarmungszone als auch in den dotierten Bereichen, sofern sie nur
Ende der Leseprobe aus 80 Seiten
- Arbeit zitieren
- Johannes M. Sieß (Autor:in), 1999, Herstellung und Charakterisierung von Photodioden auf der Basis von BeMgZnSe, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185379
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