Per ottenere quindi una buona risposta in termini di fotocorrente, per una determinata lunghezza d’onda della luce incidente, è necessario che QE(λ) sia adeguata, per cui la zds* deve essere abbastanza larga, specialmente per semiconduttori a gap indiretto. Abbiamo visto nel paragrafo 4.4.2, infatti, come il gap indiretto possa introdurre delle “difficolt{” per quanto riguarda l’assorbimento di fotoni: a parit{ di potenza assorbita (e per range di frequenze opportuno, ad esempio 0.65 – 0.85 µm), il rivelatore di Si (gap indiretto) deve avere una zds*
più lunga di quella del rivelatore di GaAs (gap diretto, per cui assorbe con più facilità ed α è maggiore). Esiste un
criterio geometrico per valutare un intervallo di lunghezze opportuno per la zds*, considerando l’andamento della potenza ottica P(x):
P(x) = AI(x) = P(0
+)
= P
0(1 – R)
tgθ = –
= P
0(1 – R)α
Fig. 55
Profilo P(x) della potenza ottica all’interno di un fotorivelatore PIN, dal quale, mediante un’osservazione geometrica, è possibile estrarre un utile criterio di progetto per la larghezza della zona di svuotamento del dispositivo.
Generalmente si costruisce una zds, agendo sullo spessore del layer intrinseco, avente una lunghezza zds* (in presenza di polarizzazione) compresa fra 2/α e 10/α. Il suo valore ottimo deriva da un compromesso tra efficienza quantica QE e tempo di risposta. All’aumentare di zds*, infatti, aumenta QE, in quanto una frazione
crescente della potenza incidente P0 viene assorbita nella zds*, ma aumenta anche il tempo di transito, a spese
della velocità di risposta. Dunque se eccediamo nella lunghezza della zds* (>10/α) la fotocorrente IL(t), in
risposta ad un impulso luminoso rettangolare, è quella colorata in verde nella figura 56.
Fig. 56
Grafico della risposta elettrica IL(t) (colorata di verde) di un fotodiodo PIN, la cui zds* è eccessivamente larga (zds* > 10/α). L’efficienza
quantica tende ad 1, cosicchè solo una piccolissima frazione della potenza ottica incidente viene assorbita nelle regioni neutre p ed n, ovvero persa, ma la fotocorrente di uscita segue con molta lentezza il segnale ottico pilotante. La scarsa risoluzione temporale, ossia la banda operativa piccola, è dovuta al lungo tempo di transito delle fotocariche attraverso la zds*.
Se invece scegliamo una lunghezza zds* troppo piccola (< 2/α) la risposta elettrica IL(t), ad un impulso luminoso
Fig. 57
Grafico della risposta elettrica IL(t) (colorata di verde) di un fotodiodo PIN, la cui zds* è eccessivamente stretta (zds* < 2/α). L’efficienza
quantica è piccola, cosicchè solo una piccola frazione della potenza ottica incidente viene assorbita nella zds*, e la fotocorrente di uscita segue con lentezza il segnale ottico pilotante, a causa dell’inerzia legata alla diffusione dei fotoportatori minoritari.
Per spiegare le code evidenziate nelle figure 56 e 57 è necessaria una precisazione. Con riferimento alla figura
51, abbiamo notato che la potenza assorbita è quella fra x1 e x2 (nella zds*), sia perché la zona di campo è molto
larga, tale da assorbire quasi tutti i fotoni incidenti, sia perché è proprio nella zds* che a un fotone assorbito corrisponde la generazione di una fotocoppia. La potenza assorbita dal materiale nelle zone neutre è considerata “persa”, perché le correnti diffusive non sono rilevabili dal circuito esterno. Questa affermazione è basata sul fatto che i fotoni assorbiti in quelle regioni sono pochi e che se un fotone dà origine ad una coppia nelle zone neutre, il portatore maggioritario della coppia dà contributo alla fotocorrente (in quanto carica già arrivata nel bulk di destinazione), mentre il corrispondente minoritario viene quasi certamente ricombinato (specialmente nel bulk p, che generalmente viene drogato in modo da essere p+, in modo da risultare molto sottile e quasi trasparente nei confronti dell’intensit{ ottica). Pertanto i pochi fotoni assorbiti nei bulk non danno luogo a coppie di fotoportatori, bensì a singoli fotomaggioritari, avvalorando la tesi della potenza persa nelle zone neutre. In realtà questo ragionamento vale solo nella parte più interna delle zone neutre, mentre in quella compresa entro una lunghezza di diffusione, a partire dall’interfaccia lato intrinseco/lato drogato, i fotominoritari hanno una probabilità non trascurabile di diffondere con successo verso la zds*, e quindi di essere raccolti nel loro bulk di destinazione. Quindi la potenza, in questa zona di confine delle regioni neutre, non è persa, ma occorre attendere la diffusione, per quanto il tragitto sia abbastanza breve. Questa è la causa delle code, tanto più marcate quanto più zds* < 2/α. Per i PIN al silicio o al germanio la zds deve essere almeno di 20 ÷ 50 μm, affinchè QE sia accettabile, ed il tempo di transito ( 200 ps), in tal caso, limita la banda della risposta in frequenza. Uno strato intrinseco così spesso non può essere deposto (cresciuto) mediante epitassia VPE – “Vapor Phase Epitaxy” – “epitassia da fase vapore”, ovvero il tipo di epitassia che generalmente viene utilizzata per realizzare omostrutture (la VPE, infatti, si ferma a layers di massimo 15 μm di spessore), per cui si deve ricorrere ad una CVD. Nel caso di un PIN al GaAs, in cui il layer intrinseco può essere decisamente più corto (qualche µm), in virtù del gap diretto, una tecnica di crescita dello strato intrinseco largamente utilizzata in passato è la LPE – “Liquid Phase Epitaxy” – “epitassia da fase liquida”. Attualmente, per PIN al GaAs, è molto più utilizzata la MOCVD – “Metal – Organic CVD”, nella quale il precursore del gallio, da diffondere nella camera di lavoro insieme
all’arsina AsH3, è una molecola organica, come ad esempio Ga . Nel caso di PIN all’InGaAs, semiconduttore
a gap diretto, la zds può essere molto piccola ( 3 ÷ 5 μm), senza rinunciare ad una buona QE: la sua banda tipica è nell’intervallo di 3 - 5 GHz. Sono stati sperimentati anche diodi PIN con banda dell’ordine dei 20 GHz (layer intrinseco molto stretto, tempo di transito assai ridotto), ovviamente a spese dell’efficienza quantica. È possibile realizzare un PIN utilizzando un’eterostruttura in cui lo strato intrinseco è fatto di InGaAs, mentre quelli p ed n di InP.