Simulation einer 1550-nm-InGaAs/InP-PIN-Photodiode
In diesem Tutorial verwenden wir OghmaNano, um eine 1550-nm-InGaAs/InP-PIN-Photodiode zu simulieren, einen Halbleiter-Photodetektor, der entwickelt wurde, um nahinfrarotes Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. InGaAs-Photodioden werden häufig in der Glasfaserkommunikation, der optischen Sensorik, der Telekommunikation und der Nahinfrarotdetektion eingesetzt, insbesondere bei Wellenlängen um 1310 nm und 1550 nm. Das hier betrachtete Gerät, das in ?? dargestellt ist, besteht aus einer InGaAs-Absorberschicht mit einer schmalen Bandlücke, die zwischen InP-Halbleiterschichten mit einer größeren Bandlücke angeordnet ist. Bei 1550 nm absorbiert InGaAs die einfallenden Photonen effizient, während InP weitgehend transparent ist, sodass das Licht die Absorptionsregion erreichen kann.
Das Gerät verwendet eine p–i–n-Struktur, bei der eine nominell intrinsische InGaAs-Schicht zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten InP-Schicht angeordnet ist. Das vorhandene elektrische Feld trennt zusammen mit einer angelegten Sperrspannung die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher und transportiert sie zu den elektrischen Kontakten. Dadurch entsteht ein messbarer Photostrom, der proportional zur einfallenden optischen Leistung im linearen Betriebsbereich des Geräts ist. Die Struktur dient als nützliches Beispiel für die Modellierung von III–V-Halbleiter-Heteroübergängen und kombiniert optische Absorption, den Transport von Ladungsträgern und die Bandanordnung von Halbleitern in einem einzigen Gerät.
Wir beginnen damit, eine vorkonfigurierte InGaAs/InP-Photodioden-Simulation aus der Beispielbibliothek von OghmaNano zu laden, wodurch wir das Bauelement untersuchen können, ohne es von Grund auf neu erstellen zu müssen. Mithilfe der optischen Transfermatrixmodellierung und der Drift-Diffusions-Simulation berechnen wir die räumliche Verteilung der optischen Erzeugung, untersuchen die Leitungs- und Valenzbanddiagramme und analysieren, wie eine Sperrspannung das interne elektrische Feld und die Ladungsträgererfassung beeinflusst. Anschließend vergleichen wir die Kennlinien für Dunkel- und Beleuchtungsstrom-Spannung (J–V) und berechnen die Empfindlichkeit der Photodiode in A/W. Abschließend untersuchen wir, wie sich Änderungen der Absorberdicke, der Beleuchtungswellenlänge und der angelegten Spannung auf die Leistung des Bauelements auswirken.
1. Einleitung: InGaAs-Photodioden und die Detektion bei 1550 nm
Eine InGaAs-PIN-Photodiode wandelt einfallendes Nahinfrarotlicht in einen elektrischen Strom um, indem sie Photonen absorbiert und Elektron-Loch-Paare erzeugt. Diese Bauelemente werden in großem Umfang in der Glasfaserkommunikation, der Telekommunikation und der Infrarotmesstechnik eingesetzt, insbesondere bei Wellenlängen von 1310 nm und 1550 nm. In diesem Tutorial konzentrieren wir uns auf eine Photodiode, die für die Erfassung von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm ausgelegt ist, einer der wichtigsten Wellenlängen, die in modernen optischen Kommunikationssystemen verwendet werden.
Die Wahl der Halbleitermaterialien ist besonders wichtig für Photodioden, die bei dieser Wellenlänge arbeiten. Damit ein Photon durch einen direkten Übergang von einem Energieniveau zum nächsten absorbiert werden kann, muss seine Energie mindestens so groß sein wie die Bandlücke des Halbleiters. Die Energie eines Photons wird durch folgende Formel beschrieben:
\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda} \approx 0.80\ \mathrm{eV} \qquad (\lambda=1550\ \mathrm{nm}). \]
Wie in ?? dargestellt, hat Indiumphosphid (InP) bei Raumtemperatur eine Bandlücke von etwa 1,34 eV. Da die Energie eines 1550-nm-Photons kleiner ist als diese Bandlücke, kann es kein Elektron direkt aus dem Valenzband in das Leitungsband anregen. Folglich ist InP bei dieser Wellenlänge weitgehend transparent, was es für die Schichten geeignet macht, durch die das Licht in die Photodiode eintritt.
Im Gegensatz dazu hat gitterangepasstes In0,53Ga0,47As eine deutlich geringere Bandlücke von etwa 0,74–0,75 eV. Ein Photon mit einer Wellenlänge von 1550 nm verfügt daher über genügend Energie, um ein Elektron in das Leitungsband anzuregen, wodurch ein Loch im Valenzband entsteht. Dieser Prozess erzeugt die Elektron-Loch-Paare, die die elektrische Reaktion der Photodiode bewirken. Die unterschiedlichen Bandlücken von InP und InGaAs ermöglichen es dem Bauelement, transparente Halbleiterschichtstrukturen mit einer stark absorbierenden InGaAs-Region zu kombinieren. Die genauen simulierten Bandkanten hängen von den in OghmaNano ausgewählten Materialparametern ab.
Das Gerät verwendet eine p–i–n-Halbleiterstruktur, die aus p-dotiertem InP, einem nominell intrinsischen InGaAs-Absorber und n-dotiertem InP besteht. Die relativ geringe Dotierung der intrinsischen Region ermöglicht es, dass sich die Verarmungszone über einen Großteil des Absorbers erstreckt. Durch Anlegen einer Sperrspannung wird das elektrische Feld in dieser Region verstärkt, wodurch photogenerierte Elektronen und Löcher zu gegenüberliegenden Kontakten getrieben werden. Der resultierende Photostrom dient als Maß für die einfallende optische Intensität.
2. Die voreingestellte Simulation öffnen und ihre Struktur verstehen.
Um zu beginnen, starten Sie OghmaNano und klicken Sie im Menü „Datei“ auf „Neue Simulation“. Dadurch wird die Simulationsbibliothek geöffnet, die in ?? dargestellt ist. Doppelklicken Sie auf „GaAs-Beispiele“, um die verfügbaren Beispiele für III–V-Halbleiterbauelemente zu öffnen (??). Wählen Sie die InGaAs/InP-PIN-Photodiode (1550 nm) aus, wählen Sie ein Zielverzeichnis und klicken Sie auf „Speichern“. OghmaNano erstellt eine neue Simulation, die die vollständige Photodiodenstruktur, Materialparameter, optische Beleuchtung und elektrische Simulationseinstellungen enthält.
Der Vorteil der Verwendung einer vordefinierten Konfiguration besteht darin, dass das Gerät sofort einsatzbereit ist, um eine Simulation durchzuführen, ohne dass es von Grund auf neu aufgebaut werden muss. Nach dem Laden zeigt das Hauptfenster von OghmaNano die InGaAs/InP-PIN-Photodiode im Reiter „Gerätestruktur“ (??). Die grünen Pfeile stellen das einfallende Licht dar, während die farbigen Schichten die Halbleiterstruktur zeigen. In diesem Beispiel wird ein eindimensionales elektrisches Modell einer planaren Photodiode verwendet, wobei das Gerät zur besseren Visualisierung in drei Dimensionen dargestellt wird.
2.1 Aufbau des Bauelements und Halbleiterschichten
Die Photodiode besteht aus vier Halbleiterschichten, die von der beleuchteten Oberfläche bis zum hinteren Kontakt angeordnet sind. Das Bauelement enthält einen 2 µm dicken, intrinsischen InGaAs-Absorber, der zwischen p-dotierten und n-dotierten InP-Schichten positioniert ist. Das InP mit seiner größeren Bandlücke ermöglicht es, dass Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm den InGaAs-Absorber erreicht, während gleichzeitig der Halbleiterübergang und die elektrischen Kontaktbereiche gebildet werden. Die Schichtstruktur ist unten zusammengefasst.
| Schicht | Material | Dicke | Dotierung (m−3) | Funktion |
|---|---|---|---|---|
| p+ | InP | 200 Nanometer | 1 × 1024 Akzeptoren | p-Dotierte Fenster- und Kontaktzone |
| Ich | In0,53Ga0,47As | 2,0 µm | Nicht dotiert | Optische Absorption und Erzeugung von Ladungsträgern |
| n | InP | 200 Nanometer | 3 × 1022 Spender | n-Dotierte Überganszone |
| n+ | InP | 100 Nanometer | 1 × 1024 Spender | Stark dotierte Rückseitenkontaktzone |
Um die Struktur zu überprüfen, klicken Sie auf die Schaltfläche „Layer-Editor“ auf der linken Seite des Tabs „Gerätestruktur“. Der Editor (??) zeigt die Dicke, das optische Material und den Simulationstyp jeder Schicht an. In diesem Beispiel werden die optischen Eigenschaften von InP und InGaAs aus den optischen Materialmodellen von Adachi in der Materialdatenbank von OghmaNano entnommen. Diese liefern den wellenlängenabhängigen Brechungsindex und den Extinktionskoeffizienten, die vom optischen Solver verwendet werden.
Der InGaAs-Absorber ist dafür verantwortlich, einfallende Photonen mit einer Wellenlänge von 1550 nm in Elektron-Loch-Paare umzuwandeln. Seine relativ geringe Bandlücke ermöglicht es ihm, dieses nahinfrarote Licht zu absorbieren, während die umgebenden InP-Schichten eine größere Bandlücke aufweisen und bei der Betriebswellenlänge weitgehend transparent sind. Der Absorber ist im Wesentlichen nicht dotiert, wodurch beim Anlegen einer Sperrspannung an der Photodiode ein erhebliches elektrisches Feld entstehen kann. Dieses Feld trennt die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher und transportiert sie zu gegenüberliegenden Kontakten.
2.2 Dotierungsprofil, Legierungszusammensetzung und elektrische Materialparameter
Die elektrischen Eigenschaften der InGaAs/InP-PIN-Photodiode hängen stark von den Dotierungskonzentrationen, der Halbleiterzusammensetzung und den Materialparametern ab. Öffnen Sie das Menü „Elektrische Eigenschaften“ und wählen Sie „Dotierung/Ionen“ aus, um das Dotierungsprofil zu untersuchen (??). Die p+-InP-Schicht enthält eine Akzeptorkonzentration von 1 × 1024 m−3, während die n-dotierte InP-Region 3 × 1022 m−3 Donatoren enthält. Der n+-InP-Kontakt ist stärker dotiert und enthält 1 × 1024 m−3 Donatoren.
Beachten Sie, dass die zentrale InGaAs-Region keine gezielt eingebrachte Dotierung aufweist. Die daraus resultierende p–i–n-Anordnung führt dazu, dass sich die Verarmungszone hauptsächlich durch den InGaAs-Absorber erstreckt. Dies ist für Photodioden wünschenswert, da das elektrische Feld dazu beiträgt, photogenerierte Elektronen-Loch-Paare zu trennen und die Ladungsträger zu ihren jeweiligen Kontakten zu transportieren, bevor sie rekombinieren. Das Dotierungsprofil spielt daher eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des eingebauten elektrischen Feldes, der Ladungsträgererfassung und der Sperrspannungseigenschaften des Bauelements.
Der InGaAs-Absorber ist eine ternäre Halbleiterlegierung und keine reine Verbindung. Seine Zusammensetzung ist In0,53Ga0,47As, was in etwa einer Gitteranpassung an InP entspricht. Um die Zusammensetzung der Legierung zu überprüfen, öffnen Sie den Editor für Gradienten/Spannungen im elektrischen Funktionsbereich (??).
Die Grafik zeigt, dass die Zusammensetzungsvariable x über die gesamte InGaAs-Schicht auf 0,53 und außerhalb davon auf Null gesetzt ist. In diesem Beispiel steht x für den Indiumanteil, während der Galliumanteil 1 − x = 0,47 beträgt. Die Zusammensetzung ist über den gesamten Absorberbereich gleichmäßig, obwohl OghmaNano auch die Definition von Zusammensetzungsgradienten ermöglicht. Eine Änderung der Legierungszusammensetzung beeinflusst Materialeigenschaften wie die Bandlücke, die Trägermobilität und die Bandanordnung des Halbleiters und kann daher sowohl die optische Absorption als auch den elektrischen Transport beeinflussen.
Neben der Dotierung und der Zusammensetzung der Legierung hängt das elektrische Verhalten der Photodiode von den Parametern des Halbleitermaterials ab, wie z. B. der Bandlücke, der Elektronenaffinität, den effektiven Zustandsdichten, der Trägermobilität und den Rekombinationskoeffizienten. Diese bestimmen die Verschiebung der Leitungs- und Valenzbänder an den InP/InGaAs-Heteroübergängen und beeinflussen, wie effizient Elektronen und Löcher sich durch die Komponente bewegen.
Um diese Eigenschaften zu überprüfen, kehren Sie zum Hauptfenster von OghmaNano zurück, wählen Sie die Registerkarte „Gerätestruktur“ aus und klicken Sie in der linken Symbolleiste auf „Elektrische Parameter“. Dadurch wird der Editor für elektrische Parameter (??) geöffnet. Der Editor enthält eine separate Registerkarte für jede Halbleiterschicht, sodass die Eigenschaften der p+-InP-, der intrinsischen InGaAs-, der n-Typ-InP- und der n+-InP-Bereiche unabhängig voneinander untersucht werden können.
In diesem Beispiel werden die elektrischen Materialeigenschaften aus der Datenbank für elektrische Materialien von OghmaNano entnommen. Anstatt einfach feste numerische Werte zu speichern, enthält die Datenbank Lua-Materialmodelle, die Halbleitereigenschaften als Funktionen von Variablen wie Temperatur und Legierungszusammensetzung berechnen. Der Code-Editor zeigt das Lua-Skript an, das dem ausgewählten Material zugeordnet ist, während die Registerkarte „Parameter“ die Anzeige der entsprechenden numerischen Materialeigenschaften ermöglicht.
Ein Vorteil der Verwendung der Datenbank für elektrische Materialien besteht darin, dass die Halbleitereigenschaften von der Temperatur und der Legierungszusammensetzung abhängen können, anstatt als feste Konstanten behandelt zu werden. Beispielsweise berechnet das in ?? dargestellte InP-Materialmodell die temperaturabhängige Bandlücke mithilfe der Varshni-Gleichung:
\[ E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta} \]
Hierbei ist \(E_g(0)\) die Bandlücke bei null Kelvin, während \(\alpha\) und \(\beta\) materialabhängige Parameter sind. Das InP-Materialmodell verwendet diese Beziehung, um eine Bandlücke von etwa 1,35 eV bei 300 K zu berechnen. Das InGaAs-Materialmodell kann auf ähnliche Weise die von der Zusammensetzung abhängigen Eigenschaften beschreiben, wodurch Änderungen im Indiumanteil die simulierte Halbleiter-Bandstruktur beeinflussen können.
Diese materiellen Beziehungen sind besonders wichtig für III–V-Halbleiter-Heteroverbindungen. Unterschiede in der Bandlücke und der Elektronenaffinität zwischen InP und InGaAs führen zu Unterbrechungen in den Leitungs- und Valenzbändern. Diese Bandversätze können die Trägerinjektion, -extraktion und -rekombination beeinflussen. Die daraus resultierenden Banddiagramme werden wir später in diesem Tutorial untersuchen.
💡 Tipp: Mit OghmaNano können einzelne elektrische Materialparameter durch manuell festgelegte Werte überschrieben werden. Wenn ein Parameter überschrieben wird, folgt er nicht mehr dem entsprechenden Lua-Materialmodell. Wenn beispielsweise die Bandlücke von InGaAs durch einen festen Wert überschrieben wird, führt eine Änderung der Legierungszusammensetzung nicht mehr automatisch zu einer Aktualisierung dieser Bandlücke. Um die Beziehung zur Materialdatenbank wiederherzustellen, deaktivieren Sie die Überschreibung.
3. Durchführung der Simulation und Analyse der J–V-Kennlinie
Um die Simulation der InGaAs/InP-PIN-Photodiode auszuführen, klicken Sie auf das blaue Symbol. Simulation starten Schaltfläche in Datei Band, oder drücken F9Öffnen Sie Terminal Drücken Sie die Tab-Taste, um den Fortschritt der Berechnung zu verfolgen.??). Das Beispiel ist bereits mit den entsprechenden Halbleiterschichten, Materialparametern und der optischen Beleuchtung konfiguriert, sodass vor der Ausführung keine zusätzlichen Einstellungen erforderlich sind.
OghmaNano führt zunächst eine optische Berechnung durch, um zu ermitteln, wie das einfallende Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm in den Halbleiterschichten absorbiert wird, und berechnet die daraus resultierende Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren. Sobald die optische Berechnung abgeschlossen ist, beginnt das Programm eine Strom-Spannungs-Messreihe (J–V-Messung), wobei eine Reihe von Spannungen an die Photodiode angelegt und die daraus resultierende elektrische Stromdichte berechnet wird.
Bei jeder angelegten Spannung löst OghmaNano die Poisson-Gleichung zusammen mit den Drift-Diffusions- und Kontinuitätsgleichungen für Elektronen und Löcher. Die optische Erzeugungsrate stellt die Quelle für die durch Licht erzeugten Ladungsträger innerhalb des elektrischen Modells dar. Weitere Informationen finden Sie unter Theorie der Drift-Diffusions-Modellierung und Optisches Transfermatrixmodell.
Das Terminal zeigt die an den oberen und unteren Kontakten angelegte Spannung sowie die berechnete Stromdichte in A m−2 an. Der Wert, der mit top= gekennzeichnet ist, gibt die an den oberen Kontakt angelegte Spannung an, während btm= die Spannung am unteren Kontakt angibt, die auf 0 V gehalten wird. Die Größe f()= ist der numerische Restwert des elektrischen Solvers und gibt an, wie genau die berechnete Lösung die Halbleitergleichungen erfüllt.
In diesem Beispiel wird die Spannung von etwa −2 V bis +0,5 V variiert, wodurch sowohl der Betrieb im Sperr- als auch im Durchlassbereich abgedeckt wird. Beachten Sie, dass die Stromdichte des beleuchteten Bereichs im größten Teil des Sperrbereichs ungefähr konstant bei −6,12 A m−2 bleibt. Dies ist typisch für eine PIN-Photodiode, wenn die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher effizient durch das interne elektrische Feld gesammelt werden.
Wenn die angelegte Spannung positiv wird, steigt der Strom durch die Durchlassdiode rasch an und übersteigt schließlich den Photostrom (??). Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, wählen Sie die Registerkarte „Ausgabe“ (??). Dort werden die durch die Simulation erzeugten Dateien angezeigt, darunter elektrische J–V-Kennlinien, optische Ergebnisse, Simulationsinformationen und räumlich aufgelöste Momentaufnahmen.
jv.csv, um die Strom-Spannungs-Kennlinie zu untersuchen, oder öffnen Sie snapshots, um die räumlich aufgelösten elektrischen Größen zu betrachten.3.1 Analyse der beleuchteten J–V-Kurve
Um das elektrische Verhalten der Photodiode zu untersuchen, doppelklicken Sie im Reiter „Ausgabe“ auf jv.csv. Dadurch wird die Kennlinie der Stromdichte in Abhängigkeit von der Spannung (??) geöffnet. Das Diagramm zeigt die Stromdichte, die durch die Komponente fließt, in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Der negative Strom bei Sperrspannung folgt der von OghmaNano verwendeten Konvention für die Vorzeichen.
Die beleuchtete J–V-Kurve weist zwei deutlich voneinander abgegrenzte Bereiche auf. Bei umgekehrter Vorspannung bleibt die Stromdichte ungefähr konstant bei −6,12 A m−2. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der umgekehrten Spannung nur relativ wenig zusätzlichen Photostrom erzeugt, was mit einer effizienten Sammlung der durch Licht erzeugten Ladungsträger übereinstimmt.
Bei Durchlassspannung steigt der Strom schnell an, da Elektronen und Löcher über den pn-Übergang injiziert werden. Die daraus resultierende exponentielle Zunahme ist charakteristisch für das Verhalten von Halbleiterdioden. Obwohl dasselbe Bauelement sowohl mit Durchlass- als auch mit Sperrspannung betrieben werden kann, werden Fotodioden, die zur optischen Detektion verwendet werden, üblicherweise mit Sperrspannung betrieben, um die Ladungsträgererfassung und die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
3.2 Vergleich der Kennlinien von beleuchteten und nicht beleuchteten Solarzellen (J–V-Kennlinien)
Wir können nun untersuchen, welcher Anteil des elektrischen Stroms durch das einfallende Licht verursacht wird. Dazu werden wir die Simulation mit deaktivierter Beleuchtung wiederholen und die resultierenden Kennlinien in Dunkelheit und bei Beleuchtung vergleichen. Die beiden Ergebnisse sind in ?? und ?? dargestellt.
Wählen Sie im Hauptfenster von OghmaNano das optische Band aus (??). Suchen Sie die Steuerung mit der Bezeichnung „Lichtintensität (in Sonnenlichteinheiten)“. Obwohl die Benutzeroberfläche das Wort „Sonnenlichteinheiten“ verwendet, fungiert diese Steuerung als Multiplikator für das ausgewählte Lichtquellenspektrum. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Gerät mit Sonnenlicht beleuchtet wird.
Beispielsweise hat das Standard-AM1.5G-Sonnenspektrum eine integrierte Strahlungsleistung von etwa 1000 W/m². Wenn dieses Spektrum ausgewählt wird, entspricht ein Multiplikator von 1,0 einer Sonnenbestrahlung. Unsere InGaAs/InP-Photodiode verwendet jedoch ein Laserspektrum von 1550 nm anstelle von Sonnenlicht. Wenn das Laserspektrum eine integrierte Strahlungsleistung von 10 W/m² aufweist, ergibt ein Multiplikator von 1,0 eine einfallende optische Leistungsdichte von 10 W/m², nicht 1000 W/m².
Um das zu berechnen: dunkle J–V-Kennlinie, ändern Lichtintensität (in Sonnenlichteinheiten) von 1,0 bis 0.0Dadurch wird die optische Erzeugung von der ausgewählten Lichtquelle deaktiviert. Klicken Sie. Simulation starten noch einmal oder drücken F9und warten Sie, bis die Berechnung abgeschlossen ist.
Gehen Sie zurück zum Reiter „Ausgabe“ und doppelklicken Sie auf jv.csv, um die Kennlinie bei Dunkelheit zu untersuchen. Beachten Sie, dass der Sperrstrom jetzt deutlich geringer ist als unter Lichteinwirkung. Das Bauelement zeigt weiterhin die bekannte exponentielle Zunahme des Vorwärtsstroms, aber der durch Licht erzeugte Strom ist nicht mehr vorhanden.
Die Differenz zwischen dem beleuchteten und dem dunklen Strom ergibt die durch die Absorption einfallender Photonen erzeugte Photostromdichte:
\[ J_{\mathrm{ph}}(V) = J_{\mathrm{light}}(V)-J_{\mathrm{dark}}(V). \]
Hierbei ist \(J_{\mathrm{light}}\) die Stromdichte bei Beleuchtung, während \(J_{\mathrm{dark}}\) die Stromdichte ist, die ohne Beleuchtung bei derselben angelegten Spannung berechnet wird. Das Vorzeichen des Photostroms hängt von der verwendeten Stromkonvention ab, daher wird bei der Berechnung der Empfindlichkeit sein Betrag verwendet.
Der Photostrom ist ungefähr proportional zur einfallenden optischen Leistung, wenn der Detektor in seinem linearen Bereich arbeitet. Folglich kann eine Photodiode Änderungen der optischen Intensität messen, indem sie den resultierenden elektrischen Strom überwacht. Diese Beziehung wird durch die Empfindlichkeit der Photodiode quantifiziert, die wir später im Verlauf dieser Anleitung berechnen werden.
Der sehr geringe Dunkelstrom, der durch diese Simulation vorhergesagt wird, spiegelt die in dem Modell berücksichtigten physikalischen Mechanismen wider. Reale InGaAs/InP-Photodioden können zusätzlichen Dunkelstrom aufweisen, der durch Volumenrekombination, Defekte an der Grenzfläche, Oberflächenleckströme und feldverstärkte Trägererzeugung verursacht wird. Folglich sollte der berechnete Dunkelstrom nicht automatisch als der Dunkelstrom eines tatsächlich gefertigten Bauelements interpretiert werden.
Experiment: Verändern Sie die Lichtintensität. Setzen Sie den Faktor für die Lichtintensität wieder auf 1,0 und messen Sie die Sperrstromdichte bei −2 V. Wiederholen Sie die Berechnung mit den Faktoren 0,5 und 2,0. Wie verändert sich der Photostrom?
Erklärung anzeigen
Bei einer Photodiode, die in ihrem linearen Bereich arbeitet, ist der Photostrom ungefähr proportional zur einfallenden optischen Leistung. Eine Halbierung der Beleuchtungsstärke sollte daher den Photostrom ungefähr halbieren, während eine Verdopplung der Beleuchtungsstärke ihn ungefähr verdoppeln sollte. Der Gesamtstrom umfasst auch den Dunkelstrom, daher sollte der Vergleich unter Verwendung von \(J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}\) erfolgen. Deutliche Abweichungen von diesem Verhalten können auf nichtlineare Rekombination, Veränderungen bei der Ladungsträgererfassung oder andere physikalische Effekte hindeuten.
3.3 Analyse der Simulationsdaten
sim_info.dat geöffnet. OghmaNano zeigt eine Reihe von elektrischen Größen an, obwohl photovoltaiische Leistungskennwerte wie der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Allgemeinen für Photodioden mit Sperrspannung nicht relevant sind.Zusätzlich zur J–V-Kurve erstellt OghmaNano eine Datei mit dem Namen sim_info.dat, die über den Reiter „Ausgabe“ (??) geöffnet werden kann. Diese Datei enthält eine Zusammenfassung der während der Simulation berechneten elektrischen Größen, einschließlich charakteristischer Spannungen, Stromdichten, Trägerkonzentrationen, Beweglichkeiten und anderer Geräteparameter.
Einige der in dieser Datei angezeigten Größen, wie z. B. Kurzschlussstromdichte, Leerlaufspannung, Füllfaktor und Leistungsumwandlungswirkungsgrad, sind hauptsächlich für Photovoltaiksimulationen gedacht. Obwohl OghmaNano diese Größen für eine Photodiode berechnen kann, werden sie normalerweise nicht zur Charakterisierung der Leistung eines optischen Detektors mit Sperrspannung verwendet. Bei Photodioden gehören zu den wichtigeren Leistungskennzahlen die Responsivität, der externe Quantenwirkungsgrad, der Dunkelstrom und das Spektralverhalten.
In den folgenden Abschnitten werden wir das optische Anregungsprofil, die Energiebanddiagramme und den Ladungsträgertransport in der InGaAs/InP-PIN-Photodiode untersuchen. Anschließend werden wir den berechneten Photostrom und die einfallende optische Leistung verwenden, um die Empfindlichkeit der Komponente bei 1550 nm zu bestimmen.
4. Untersuchung der optischen Absorption und Veränderung der Wellenlänge der Beleuchtung
Im vorherigen Abschnitt haben wir die elektrische Reaktion der InGaAs/InP-PIN-Photodiode unter Lichteinwirkung untersucht. Nun werden wir untersuchen, wie sich das Licht durch die Halbleiterschichten ausbreitet und wo die einfallenden Photonen absorbiert werden. Außerdem werden wir die Wellenlänge des Lichts verändern, um zu zeigen, warum dieses Bauelement besonders für die Detektion im nahen Infrarotbereich geeignet ist.
Das Beispiel ist mit einem 1550-nm-Laser konfiguriert, was einer Wellenlänge entspricht, die üblicherweise in der optischen Faserkommunikation verwendet wird. Bei dieser Wellenlänge beträgt die Photonenenergie etwa 0,80 eV. Dies liegt unterhalb der Bandlücke von InP (etwa 1,35 eV), aber oberhalb der von gitterangepasstem In0,53Ga0,47As (etwa 0,75 eV). Folglich sind die InP-Schichten weitgehend transparent für das einfallende Licht, wodurch dieses den InGaAs-Absorber erreichen kann.
4.1 Betrachtung der optischen Absorption und der Erzeugung von Ladungsträgern
Um das optische Verhalten des Geräts zu untersuchen, kehren Sie zum Hauptfenster von OghmaNano zurück und wählen Sie die Registerkarte „Optik“ aus. Klicken Sie auf „Transfermatrix“, um den Editor für die optische Simulation zu öffnen. In diesem Fenster werden die Ergebnisse der optischen Berechnung angezeigt, und Sie können untersuchen, wie Licht mit den Halbleiterschichten interagiert.
Wählen Sie die Registerkarte „Absorbierte Photonendistribution“ (??) aus. Diese zeigt die absorbierte Photonendistribution in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Position innerhalb des Bauelements an. Die horizontale Achse stellt die Position durch die Halbleiterschichten dar, während die vertikale Achse die Wellenlänge des einfallenden Lichts darstellt. Die Farbskala zeigt die lokale absorbierte Photonenanzahl.
Beachten Sie, dass die absorbierten Photonen hauptsächlich bei einer Wellenlänge von etwa 1550 nm konzentriert sind, was dem schmalen Laserspektrum entspricht. Die Absorption findet vorwiegend in der InGaAs-Schicht statt und nicht im InP-Bereich. Genau das ist es, was wir von einer InGaAs/InP-Photodiode erwarten, die für die Detektion im nahen Infrarotbereich konzipiert ist.
Wählen Sie nun die Registerkarte „Generierungsrate“ (??) aus. Diese zeigt die räumlich aufgelöste Generierungsrate G(y) in den Einheiten m−3 s−1 an. Die Generierungsrate beschreibt die Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare pro Volumeneinheit und Sekunde.
Die Darstellung zeigt auch die Schichtstruktur des Halbleiters sowie die Leitungs- und Valenzbandenergien der Materialien, wodurch das Profil der optischen Erzeugung direkt mit den InP/InGaAs-Heteroübergängen in Beziehung gesetzt werden kann. Beachten Sie den starken Anstieg der Erzeugung am Anfang der InGaAs-Schicht, gefolgt von einer allmählichen Abnahme, während sich das Licht durch den Absorber ausbreitet.
Die Oszillationen im Erzeugungsprofil entstehen durch optische Interferenz innerhalb der mehrschichtigen Struktur. Das an den Halbleiterschichten reflektierte Licht interferiert mit dem sich vorwärts ausbreitenden Licht, wodurch Schwankungen in der optischen Intensität und somit in der Trägererzeugung entstehen. Bei einem Brechungsindex von etwa 3,5 beträgt die charakteristische Interferenzperiode \(\lambda/(2n)\), was einer Wellenlänge von 1550 nm bei etwa 220 nm entspricht.
Das ausgewählte Laserspektrum kann auch untersucht werden, indem man zum Hauptfenster von OghmaNano zurückkehrt und im optischen Menü auf „Lichtquellen“ klickt. Dadurch wird der Editor für Lichtquellen geöffnet (??). Die ausgewählte Quelle ist ein 1550-nm-Laser mit einem Intensitätsfaktor von 1,0. Klicken Sie auf „Neu erstellen“, um das Spektrum anzuzeigen. Beachten Sie den schmalen Peak, der bei 1550 nm zentriert ist, was erklärt, warum die Absorption über einen so schmalen Wellenlängenbereich stattfindet.
OghmaNano berechnet das optische Feld innerhalb des Bauelements mithilfe der Transfermatrixmethode, wobei die Reflexion, Transmission und Interferenz an den Halbleiterschichtgrenzen berücksichtigt werden. Die absorbierte optische Energie wird anschließend in eine räumlich aufgelöste Erzeugungsrate umgewandelt, die an den elektrischen Drift-Diffusions-Solver weitergegeben wird.
Bei monochromatischer Beleuchtung kann die Erzeugungsrate mit der lokalen optischen Strahlungsstärke in Beziehung gesetzt werden durch:
\[ G(y,\lambda)= \frac{\alpha(\lambda)I(y,\lambda)}{hc/\lambda}, \]
wobei \(\alpha\) der Absorptionskoeffizient, \(I\) die lokale optische Strahlungsdichte, \(h\) die Planck-Konstante und \(c\) die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei einer Quelle, die mehrere Wellenlängen enthält, werden die Beiträge über das gesamte Spektrum integriert. Weitere Details finden Sie in der Dokumentation zum optischen Transfermatrixmodell.
4.2 Ändern der Wellenlänge der Beleuchtung
Wir werden nun untersuchen, was passiert, wenn die Wellenlänge der Beleuchtung deutlich verändert wird. Gehen Sie zurück zum Editor für Lichtquellen und suchen Sie im Reiter „Lichtquelle“ das Dropdown-Menü „Spektrum“. Ändern Sie das ausgewählte Spektrum von „1550-nm-Laser“ zu „thorlabs/565 nm“, was eine grüne LED darstellt.
Lassen Sie den Quellfaktor auf 1,0 eingestellt und klicken Sie auf „Neu erstellen“, um das neue Spektrum zu generieren (??). Beachten Sie, dass die LED Licht über einen viel größeren Wellenlängenbereich emittiert als der Laser, wobei das Emissionsmaximum bei etwa 565 nm liegt.
Schließen Sie den Editor für Lichtquellen und kehren Sie zum Editor für die optische Simulation zurück, indem Sie im Hauptmenüband auf „Transfermatrix“ klicken. Klicken Sie auf „Optische Simulation ausführen“, um die optische Absorption unter Verwendung der neuen Lichtquelle neu zu berechnen. Wählen Sie die Registerkarte „Photonenverteilung (absorbiert)“, um das Ergebnis zu überprüfen (??).
Das Absorptionsverhalten hat sich nun deutlich verändert. Bei einer Wellenlänge von 565 nm beträgt die Energie der Photonen etwa 2,19 eV, was größer ist als die Bandlücke von InP. Infolgedessen wird das einfallende Licht stark innerhalb des p+-dotierten InP-Bereichs, in der Nähe der beleuchteten Oberfläche, absorbiert. Nur sehr wenig Licht erreicht den intrinsischen InGaAs-Absorber.
Experiment: Vergleichen Sie den Photostrom bei verschiedenen Wellenlängen. Wählen Sie die 565-nm-LED aus und führen Sie die elektrische J–V-Simulation erneut durch. Vergleichen Sie den Strom bei umgekehrter Vorspannung mit dem, der mit dem 1550-nm-Laser erzielt wurde.
Um einen aussagekräftigen quantitativen Vergleich durchzuführen, sollte zunächst sichergestellt werden, dass die beiden Lichtquellen die gleiche integrierte einfallende optische Leistungsdichte aufweisen. Andernfalls könnten Unterschiede im Photostrom lediglich Unterschiede in der Beleuchtungsstärke widerspiegeln.
Erklärung anzeigen
Das InP-Fenster ist bei einer Wellenlänge von 1550 nm weitgehend transparent, wodurch Photonen den InGaAs-Absorber erreichen können, wo die durch Licht erzeugten Ladungsträger effizient gesammelt werden. Bei einer Wellenlänge von 565 nm werden die meisten Photonen innerhalb des InP-Fensters absorbiert, was die Sammlung der Ladungsträger beeinträchtigen kann. Folglich ist zu erwarten, dass der Photostrom bei einer Wellenlänge von 565 nm bei vergleichbarer einfallender optischer Leistung geringer ist.
Bevor Sie fortfahren, stellen Sie die Lichtquelle wieder auf den 1550-nm-Laser ein und klicken Sie auf „Neu erstellen“. Dadurch wird sichergestellt, dass bei nachfolgenden Simulationen die ursprüngliche 1550-nm-Beleuchtung verwendet wird.
7. Analyse der Energiediagramme
Mithilfe von OghmaNano können wir untersuchen, wie sich die Energiebänder in Abhängigkeit von der angelegten Spannung und der Beleuchtung verändern. Wählen Sie im Hauptfenster den Reiter „Ausgabe“ aus und doppelklicken Sie auf snapshots, um die Ansicht für Simulationsergebnisse zu öffnen. Klicken Sie auf die Schaltfläche „+“, um Kurven hinzuzufügen, und verwenden Sie die Dropdown-Menüs unter „Datei“, um Ec.csv (Rand des Leitungsbandes), Ev.csv (Rand des Valenzbandes), Fn.csv (Quasi-Fermi-Niveau der Elektronen) und Fp.csv (Quasi-Fermi-Niveau der Löcher) auszuwählen. Mit dem Schieberegler unterhalb des Diagramms können Sie zwischen den verschiedenen angelegten Spannungen wechseln.
7.1 Energiebänder im Dunkeln
Betrachten Sie zunächst die Ergebnisse bei ausgeschalteter Beleuchtung. Die drei Diagramme unten zeigen das Bauelement bei −0,6 V, 0 V und +0,45 V. Bei 0 V befindet sich das Bauelement im thermischen Gleichgewicht: Die Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher stimmen überein und bleiben über das gesamte Bauelement konstant. Das bedeutet, dass kein Nettoelektronen- oder Lochstrom vorhanden ist, obwohl sich die Leitungs- und Valenzbänder über den intrinsischen InGaAs-Bereich erstrecken.
Die Steigung der Bänder stellt das in dem Material vorhandene elektrische Feld dar, das durch den Übergang zwischen den p-dotierten und n-dotierten Bereichen entsteht. Im Gleichgewichtszustand heben sich die Drift- und Diffusionsströme auf, wodurch ein Netto-Strom von Null resultiert. Beachten Sie auch die ausgeprägten Stufen in den Leitungs- und Valenzbändern an den InP/InGaAs-Grenzflächen. Dies sind Heteroübergangsbandsprünge, die durch Unterschiede in den Bandlücken und Elektronenaffinitäten der beiden Halbleiter verursacht werden.
Bei umgekehrter Vorspannung (−0,6 V) werden die Energiebänder steiler, was auf ein stärkeres elektrisches Feld hindeutet. Die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher trennen sich, da die Kontakte auf unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen gehalten werden. Ihre Steigungen geben die treibenden Kräfte für den Elektronentransport und den Lochtransport an: Ein flaches quasi-Fermi-Niveau entspricht einem Strom von Null für den jeweiligen Ladungsträger, während eine Steigung darauf hindeutet, dass ein Strom fließt.
Bei Durchlassvorspannung (+0,45 V) wirkt die angelegte Spannung der eingebauten Potentialdifferenz entgegen, wodurch die Energiebänder flacher werden. Die verringerte Potentialbarriere ermöglicht es, Elektronen und Löcher in den pn-Übergang einzuspeisen. Dies führt zu der schnellen Stromzunahme, die im Durchlassbereich der J–V-Kennlinie beobachtet wird.
7.2 Energiebänder bei Beleuchtung
Stellen Sie den 1550-nm-Laser wieder her, setzen Sie den Intensitätsverstärkungsfaktor auf 1,0 und führen Sie die Simulation erneut aus. Öffnen Sie erneut snapshots im Reiter „Ausgabe“ und verwenden Sie den Schieberegler, um die Ergebnisse der Beleuchtung zu überprüfen. Die drei Diagramme unten zeigen -1,8 V, 0 V und +0,45 V.
Der wesentliche Unterschied bei Beleuchtung ist, dass absorbierte Photonen zusätzliche Elektronen und Löcher in der InGaAs-Schicht erzeugen. Diese Ladungsträger werden aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht, wodurch sich die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher voneinander trennen. Diese Trennung spiegelt die unterschiedlichen Konzentrationen von Elektronen und Löchern wider: \(F_n\) beschreibt die Elektronendichte, während \(F_p\) die Lochdichte beschreibt.
Bei −1,8 V bewirkt das starke elektrische Feld, dass die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher zu den gegenüberliegenden Kontakten getrieben werden. Beachten Sie, dass die quasi-Fermi-Niveaus im Absorber unterschiedliche Steigungen aufweisen, was den Transport von Elektronen und Löchern durch die Komponente widerspiegelt. Das Feld ermöglicht es der Photodiode, Ladungsträger effizient zu sammeln, was den zuvor beobachteten nahezu konstanten Sperrstrom erklärt.
Bei 0 V unter Lichteinwirkung behalten die Banden ihre ursprüngliche Neigung bei, aber die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher stimmen nicht mehr überall überein. Im Gegensatz zum Fall des Dunkelgleichgewichts erzeugt und sammelt das Bauelement Ladungsträger und erzeugt so einen Photostrom, selbst ohne eine extern angelegte Spannung. Die quasi-Fermi-Niveaus zeigen daher, dass sich das Bauelement nicht mehr im thermischen Gleichgewicht befindet.
Unter Durchlassvorspannung (+0,45 V) werden die Energiebänder im InGaAs-Absorber nahezu flach. Das schwächere elektrische Feld reduziert die durch Drift angetriebene Ladungsträgererfassung, während die Ladungsträgerinjektion und -diffusion zunehmend wichtiger werden. Die quasi-Fermi-Niveaus bleiben getrennt, was die nicht im Gleichgewicht befindlichen Elektron- und Lochpopulationen unter angelegter Vorspannung widerspiegelt.
Der entscheidende Punkt ist, dass die Steigung der Energiebandstruktur das interne elektrische Feld aufzeigt, während die quasi-Fermi-Niveaus zeigen, wie Elektronen und Löcher auf Licht und angelegte Spannung reagieren. Zusammen erklären diese Größen, wie die Photodiode elektrischen Strom erzeugt und transportiert.
8. Berechnung der Photoempfindlichkeit einer Photodiode
Eine der wichtigsten Eigenschaften einer Photodiode ist ihre Empfindlichkeit, die den pro Einheit einfallender optischer Leistung erzeugten elektrischen Strom beschreibt. Sie wird aus der Differenz zwischen den Stromdichten im beleuchteten und im dunklen Zustand berechnet:
\[ R = \frac{|J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}|} {P_{\mathrm{in}}} \qquad [\mathrm{A/W}]. \]
Hierbei ist \(P_{\mathrm{in}}\) die auftreffende optische Leistungsdichte in W/m². Für unsere Simulation beträgt die Photostromdichte bei Sperrspannung etwa 6,12 A/m². Unter der Annahme einer auftreffenden Laserleistung von 10 W/m² und vernachlässigbarem Dunkelstrom beträgt die Empfindlichkeit etwa 0,61 A/W.
Bei einer Wellenlänge von 1550 nm beträgt die theoretisch maximale Responsivität, bei der pro einfallendem Photon ein Elektron erfasst wird, etwa 1,25 A/W. Unser berechneter Wert entspricht daher einer externen Quanteneffizienz von etwa 49 %. Die Abweichung vom idealen Wert kann durch optische Reflexion, unvollständige Absorption und Verluste bei der Ladungsträgererfassung entstehen.
Versuchen Sie, die Dicke der InGaAs-Absorberschicht zu verändern und die Berechnung zu wiederholen. Wie verändert sich die Empfindlichkeit?
10. Weitere Untersuchungen
Sobald die Referenz-Photodiode funktioniert, kann die schrittweise Änderung einzelner Parameter dabei helfen, herauszufinden, welche Teile des Geräts seine Reaktion steuern.
Experiment 1: Verändern Sie die Dicke des Absorbers. Erhöhen und verringern Sie die Dicke des InGaAs, während Sie die optische Eingangsleistung konstant halten. Was passiert mit dem Erzeugungsprofil und dem Photostrom bei Sperrspannung?
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Ein dickerer Absorber kann einen größeren Anteil des einfallenden Lichts absorbieren, aber das optische Interferenzmuster und die Eigenschaften der Ladungsträgererfassung ändern sich ebenfalls. Der Photostrom muss nicht unbedingt proportional zur Dicke zunehmen.
Experiment 2: Ändern Sie die Sperrspannung. Vergleichen Sie das elektrische Feldprofil und den Photostrom bei 0 V, -0,5 V und -2 V.
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Eine umgekehrte Vorspannung erhöht in der Regel das elektrische Feld über dem Absorber und verbessert die Ladungsträgerentnahme. Sobald die Sammlungseffizienz nahezu 1 erreicht, kann eine zusätzliche umgekehrte Vorspannung nur noch einen geringen zusätzlichen Photostrom erzeugen.
Experiment 3: Ändern Sie die Wellenlänge der Beleuchtung. Vergleichen Sie das Verhalten des Geräts bei etwa 1550 nm mit dem Verhalten bei einer längeren Wellenlänge, die sich dem Absorptionsbereich von InGaAs nähert.
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Wenn die Energie der Photonen sich der Bandlücke nähert, sinkt der Absorptionskoeffizient in der Regel, und die Photonen dringen tiefer in das Bauelement ein. Die resultierende Empfindlichkeit hängt davon ab, wie viel Licht absorbiert wird und wie effizient die erzeugten Ladungsträger aufgefangen werden.
Experiment 4: Untersuchung des Ladungstransports an der Grenzfläche. Verändern Sie die elektrische Bandanordnung innerhalb eines physikalisch sinnvollen Bereichs und untersuchen Sie die quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher in der Nähe jeder InP/InGaAs-Grenzfläche.
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Die Verschiebung der Leitungs- und Valenzbänder beeinflusst den Ladungsträgertransport über die Heteroübergänge. Eine hohe Extraktionsbarriere kann zu einer Anreicherung von Ladungsträgern und zu zusätzlichen Spannungsverlusten führen, selbst wenn die optische Absorption stark ist.
8. Berechnung des externen Quanteneffizienzgrads (EQE)
Die externe Quanteneffizienz (EQE) beschreibt den Prozentsatz der einfallenden Photonen, die zum elektrischen Strom beitragen. Im Gegensatz zur J–V-Kurve, die die Reaktion auf eine bestimmte Lichtquelle misst, zeigt die EQE, wie effizient die Photodiode Licht bei verschiedenen Wellenlängen detektiert.
Um das EQE zu berechnen, ändern Sie zunächst die Beleuchtung auf ein Breitband-Spektrum. Wählen Sie im Hauptfenster von OghmaNano die Registerkarte „Optik“ aus und klicken Sie auf „Lichtquellen“ (das Symbol mit dem Leuchtturm). Ändern Sie im Editor für Lichtquellen das Spektrum auf AM1.5G und klicken Sie auf „Neu erstellen“ (??). Ein Breitband-Spektrum ist erforderlich, da wir die Reaktion der Photodiode über einen weiten Wellenlängenbereich und nicht nur bei 1550 nm berechnen möchten.
Als Nächstes kehren Sie zum Hauptfenster zurück und wählen Sie die Option aus. Simulationsart auf das Symbol klicken EQE (??). Klicken Simulation startenoder drücken Sie F9OghmaNano berechnet die Reaktion bei aufeinanderfolgenden Wellenlängen, um zu bestimmen, wie effizient einfallende Photonen in die gesammelte Ladung umgewandelt werden.
Sobald die Simulation abgeschlossen ist, öffnen Sie die Registerkarte „Ausgabe“ (??). Die Ergebnisse umfassen EQE (äußere Quanteneffizienz) und interne Quanteneffizienz (IQE) sowie zusätzliche Ausgabedateien, die die optische Reaktion beschreiben. Doppelklicken Sie auf eqe.csv, um die EQE als Funktion der Wellenlänge anzuzeigen (??).
eqe.csv, um die Wellenlängenabhängigkeit der Effizienz anzuzeigen.
Der berechnete EQE-Wert erreicht bei etwa 850 nm ungefähr 98 % und bleibt über einen breiten Wellenlängenbereich relativ hoch. Bei der vorgesehenen Betriebswellenlänge von 1550 nm beträgt der EQE-Wert etwa 70–75 %. Die Abnahme bei längeren Wellenlängen tritt auf, weil die Energie der Photonen sich der Bandlücke von InGaAs nähert, was die optische Absorption im Absorber reduziert.
Die externe Quanteneffizienz (EQE) hängt auch von den Beleuchtungsbedingungen ab. Halbleiterbauelemente können durch Rekombination und Ladungsträgertransport nichtlineares Verhalten zeigen, sodass sich die berechnete Effizienz mit der optischen Intensität ändern kann. Obwohl wir hier AM1.5G verwenden, um eine breitbandige Beleuchtung zu gewährleisten, ist es für eine bestimmte Photodetektor-Anwendung vorzuziehen, die EQE mit optischen Intensitäten zu bewerten, die den erwarteten Betriebsbedingungen entsprechen.
Die Beziehung zwischen dem externen Quanteneffizienzgrad (EQE) und der Photoantwort der Photodiode ist
\[ R(\lambda)=\mathrm{EQE}(\lambda)\frac{q\lambda}{hc}. \]
Bei einer Wellenlänge von 1550 nm entspricht eine externe Quanteneffizienz (EQE) von 75 % einer Responsivität von etwa 0,94 A/W. Dies bietet eine nützliche Möglichkeit, die simulierte spektrale Charakteristik mit dem zuvor in diesem Tutorial berechneten elektrischen Photostrom in Beziehung zu setzen.
9. Zusammenfassung und was Sie gelernt haben
In diesem Tutorial haben wir OghmaNano verwendet, um eine InGaAs/InP-PIN-Photodiode zu simulieren, die für die optische Detektion bei 1550 nm ausgelegt ist. Ausgehend von einer vorkonfigurierten Komponente haben wir ihre Halbleiterstruktur, das Dotierungsprofil, die Legierungszusammensetzung und die elektrischen Materialparameter untersucht.
Anschließend berechneten wir die Kennlinien für den dunklen und beleuchteten Zustand (J–V-Charakteristiken), untersuchten die optische Absorption und die Erzeugung von Ladungsträgern und analysierten, wie sich die Energiebänder und Quasi-Fermi-Niveaus in Abhängigkeit von der angelegten Spannung und der Beleuchtung verändern. Durch den Vergleich eines 1550-nm-Lasers mit einer 565-nm-LED zeigten wir, wie das InP-Fenster es ermöglicht, dass Nahinfrarotlicht den InGaAs-Absorber erreicht, während ein Großteil des sichtbaren Lichts absorbiert wird.
Abschließend berechneten wir die externe Quanteneffizienz (EQE) in Abhängigkeit von der Wellenlänge und untersuchten die Beziehung zwischen dieser und der Ansprechfähigkeit der Photodiode. Zusammen zeigen diese Simulationen, wie OghmaNano optische Transfermatrixberechnungen mit elektrischen Drift-Diffusions-Modellierungen kombiniert, um das Verhalten von Halbleiter-Photodetektoren vorherzusagen.
Sie können jetzt verschiedene Parameter wie die Dicke des Absorbers, die Zusammensetzung der Legierung, die Dotierkonzentrationen oder die Wellenlänge der Beleuchtung variieren, um zu untersuchen, wie sich diese auf die Leistung der Photodiode auswirken.
Weitere Informationen zum Importieren benutzerdefinierter Laser- und LED-Spektren finden Sie in der Datenbank für optische Spektren. In der Datenbank für elektrische Materialien wird beschrieben, wie die Eigenschaften von Halbleitermaterialien mithilfe von Lua-Skripten definiert werden können.