Simulaciones del modelo del fotodiodo n well p sub

Una vez definidos todos los parámetros necesarios y realizado el esquema del circuito, hay que llevar a cabo la simulación del mismo para poder observar su comportamiento. Lo que nos interesa ver es la corriente de salida, y para ello se puede poner un marcador de corriente en la salida del elemento que simula la fotocorriente, tal y como se puede ver en la figura 3.23.

Para realizar la simulación del circuito hay que definir el tipo de análisis que se quiere realizar. Interesa ver el comportamiento de la corriente de salida en función de la longitud de onda de la luz incidente sobre el fotodiodo. Para ello, igual que en el caso anterior del fotodiodo p-i-n, se selecciona el análisis DC Sweep. Dentro del mismo se define el parámetro longitud de onda LAMB, como parámetro global (global parameter) de un muestreo lineal (linear sweep type). Además hay que indicar en los campos Start

Value, End Value e Increment el rango de longitudes de onda para el cual se desea

realizar el análisis. En este caso se especificaba que la ecuación del coeficiente de absorción era válida para el rango de longitudes de onda situado entre los 400 y los 1000 nm, por tanto este intervalo será el que se tendrá en cuenta.

Después de la ejecución del circuito mostrado anteriormente con el tipo de análisis indicado, se obtiene la respuesta de la figura 3.24:

3. PSPICE: herramienta para simulación de fotodiodos 81

Figura 3.24. Curva de la fotocorriente en función de la longitud de onda.

Como se puede ver, se trata de la corriente de salida en función de la longitud de onda (LAMB) de la luz incidente simulada con la fuente de tensión V1. Su comportamiento es bastante correcto si se compara con la curva del nwell-psub expuesta

en el capítulo de fundamentos teóricos (figura 2.26 capítulo 2). Se observa el máximo entorno a los 800 nm, además de la caída de la intensidad para valores alejados de ese punto de máxima corriente generada. A simple vista se puede decir que los resultados de la simulación realizada se ajustan bastante bien al comportamiento teórico del dispositivo.

Modificando algunos valores de los parámetros definidos en los archivos de librerías, se puede ver la evolución de esta curva característica de la fotocorriente en función de la longitud de onda. De esta forma se puede ir comprobando más exhaustivamente la validez de este modelo realizado en PSPICE respecto al comportamiento teórico de un fotodiodo nwell-psub.

La primera que se va a realizar es dándole diferentes valores a la tensión de entrada, para poder ver el efecto que produce en la fotocorriente esta variación de la potencia de luz incidente. Igual que se hizo en el caso del fotodiodo p-i-n, se escoge un rango de valores cercanos al normal para este parámetro V1, entre 1E-3 V (entorno a los mV) y 1E-2 V, con un incremento entre valores de 1E-3 V. Una vez definido el análisis, se ejecuta la simulación PSPICE, obteniéndose el resultado mostrado en la figura 3.25:

PFC Modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n

3. PSPICE: herramienta para simulación de fotodiodos 82

Figura 3.25. Curva de la fotocorriente en función de la longitud de onda para diferentes valores de V1. Del mismo modo que ocurría en el caso del fotodiodo p-i-n, se observa como a medida que la tensión de la fuente, es decir, la potencia de la luz incidente va en aumento, la fotocorriente generada también se incrementa. El motivo es el mismo, es decir, la fotocorriente es proporcional a la cantidad de luz incidente.

Otra de las simulaciones que se puede llevar a cabo es cogiendo el dopado de la región p definido como NA y haciendo que tome una serie de valores más o menos cercanos al real que se encuentra alrededor de los 1E16 cm-3. El resultado obtenido es:

3. PSPICE: herramienta para simulación de fotodiodos 83

El grupo de valores escogido es 5E13, 1E14, 5E14, 1E15, 5E15, 1E16, 5E16,

1E17, 5E17 y 1E18 cm-3. Se puede ver como a medida que NA aumenta, la

recombinación de portadores en la zona p se incrementa con lo que la fotocorriente disminuye al producirse una reducción cada vez mayor en el número de portadores que contribuyen en ella.

Se puede realizar el mismo proceso para el otro tipo de dopado, el de la región n definido por ND. Con idéntico rango de valores se obtienen las siguientes curvas:

Figura 3.27. Curva de la fotocorriente en función de la longitud de onda para diferentes valores de ND.

Se observa también como a medida que el dopado ND aumenta, la fotocorriente disminuye por la misma causa de antes pero esta vez en la zona n, es decir, la recombinación de portadores en la zona n se incrementa produciéndose una reducción cada vez mayor en el número de portadores que contribuyen en la fotocorriente, y por tanto ésta disminuye.

De las dos últimas gráficas se observa como el efecto de la variación de ambos tipos de dopados tienen prácticamente idéntico efecto sobre la forma de la fotocorriente. Si se comparan con las que se producían en el fotodiodo p-i-n, se puede observar que en estas del fotodiodo nwell-psub no se da una diferenciación tan ostensible entre

variaciones en longitudes cortas para cambios en parámetros de la zona p, y variaciones en longitudes altas para cambios en parámetros de la zona n.

La razón es que al no existir ahora la zona intrínseca entre las zonas p y n, éstas se encuentran mucho más próximas separadas únicamente por la estrecha zona de carga espacial que se crea. Esto provoca que la variación de uno u otro dopado tenga prácticamente el mismo efecto sobre la fotocorriente generada.

PFC Modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n

3. PSPICE: herramienta para simulación de fotodiodos 84

Otra variación que se pueden analizar es la referente a la anchura de la zona n definida como XJ. Esta variación produce automáticamente la variación del ancho de la zona p, ya que la anchura total del dispositivo es una constante, y por tanto la longitud de la región p es inversamente proporcional a la longitud de la región n.

El resultado obtenido se muestra en la figura 3.28:

Figura 3.28. Curva de la fotocorriente en función de la longitud de onda para diferentes valores de XJ.

Se puede ver cómo un incremento del ancho de la región n provoca una disminución de la fotocorriente generada para longitudes de onda medias-cortas. En cambio, para las longitudes de onda más altas, el incremento de XJ, es decir, el decremento de la región p, se convierte en un aumento de la fotocorriente, eso sí, de una forma mucho menos considerable. La causa de estos efectos reside en que a medida que la zona n se hace más ancha, una mayor cantidad de portadores se recombina debido al alto dopado de esta región y por tanto la contribución a la corriente disminuye. Como los fotones con longitudes de onda medias-cortas son los que se absorben en dicha región, son éstos los que en gran medida dejan de contribuir en la fotocorriente. A su vez, el estrechamiento cada vez mayor de la región p, que es en la que se absorben los fotones de longitudes de onda mayores, la recombinación de portadores es cada vez menor. Por tanto un número mayor de ellos pasa a formar parte de la corriente, eso sí, tampoco demasiados debido a que el coeficiente de absorción para longitudes de onda altas es muy bajo.

3. PSPICE: herramienta para simulación de fotodiodos 85

3.4.3.3. Modelo del fotodiodo n+_-p