8.16Фотодиоды

Принцип действия и режимы эксплуатации фотодиодов. Полупроводниковым фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Фотодиоды являются быстродействующими фотоприемниками и применяются для регистрации модулированного по интенсивности излучения.

Упрощенная структурная схема фотодиода и физические процессы, протекающие в нем, показаны на рис.8.13. Основным элементом фотодиода является p-n - переход. При освещении n-области перехода происходит генерация электронно-дырочных пар. Эти носители диффундируют в глубь n-области. Если ширина n-области w достаточно мала, то носители не успевают рекомбинировать в n-области и достигают границу p-n - перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n - перехода напряженностью E₀, при этом дырки будут захвачены ускоряющим полем перехода и переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и будут скапливаться у границы p-n - перехода в n-области. Поэтому фототок через p-n - переход обусловлен дрейфом не основных носителей - дырок.

Р ис.8.13. Структурная схема фотодиода

Дрейфовый поток носителей образует фототок I_Ф. Дырки "заряжают" p-область положительно относительно n-области, а электроны - n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникшая таким образом разность потенциалов называется фото-ЭДС E_Ф. Она снижает внутренний потенциальный барьер Е₀ до значения ЕЕ₀-Е_Ф. При этом должна выполнятся условие Е_Ф<Е₀, т. к. в противном случае исчезает "разделительные свойства" p-n - перехода.

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или без внешнего напряжения в фотогальваническом режиме, или при обратном внешнем напряжении, называемом фотодиодным режимом. Схемы включения имеют вид, показанный на рис.8.14.

Р ис.8.14. Схемы включения фотодиода: а) и б) – соответственно, фотогальванический и фотодиодный режимы.

Фотогальванический режим (рис.8.14.а) характеризуется тем, что фотодиод работает генератором фото-ЭДС. При этом ток фотодиода равен:

I_ФД=U/R_Н= I_Ф -I_Т = I_Ф -I₀ ( -1). (8.35)

где I₀ –обратный ток насыщения, _T=kT/e - температурный потенциал, e - заряд электрона.

В фотодиодном режиме работы (рис.8.14.б) последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения Е_обр. При этом ток фотодиода равен: I_ФД=I_Ф +I_T I_Ф.

Вольт - амперные и спектральные характеристики фотодиода. В общем случае ток фотодиода описывается выражением (8.35).

I_ФД=U/R_Н=I_Ф(Ф) -I₀( -1).

Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I_ФД от напряжения на фотодиоде при различных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением вольт - амперной характеристики фотодиода.

Рис.8.15. Семейство вольт–амперных характеристик фотодиода.

Типичное семейство вольт - амперных характеристик фотодиода приведено на рис.8.15.

Семейство вольт - амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант I не рабочая область для фотодиода, т. к. к p-n - переходу приложено прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок.

Квадрант III – рабочая область работы фотодиода. В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки.

Квадрант IV соответствует фотогальваническому режиму. По точкам пересечения вольт - амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при различных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно ~0,5 В.

С пектральная характеристика фотодиода подобна аналогичной характеристики фоторезистора. Спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиода имеют вид, показанный на рис.8.16.

Рис. 8.16. Спектральные характеристики некоторых фотодиодов:

1 -кремний, 2 - германий.

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны Eg. Спад коротковолновой части объясняется ростом коэффициента поглощения с уменьшением длины волны и поглощением большей части излучения приповерхностным слоем.

P-i-n – фотодиоды

Одним из основных параметров фотодиодов является быстродействие, определяемое его инерционностью. Увеличить быстродействие фотодиода без снижения его чувствительности возможно в фотодиодах с p-i-n - структурой. Упрощенная структурная схема p-i-n - фотодиода представлена на рис.8.17.

Рис.8.17. Структурная схема p-i-n – фотодиода

В p-i-n -структуре i-областью является высокоомный полупроводник, на противоположных плоскостях которой выращивают низкоомные слои p⁺ и n⁺ -типов проводимости. Эти слои получаются сильным легированием. Сопротивление i-слоя в 10⁶-10⁷ раз больше чем легированных слоев. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле E распространяется на достаточно широкую i-область. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в p-i-n -структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. Время дрейфа дырок через i-область составляет: t_др=w/v_p=w/_pE , (8.36)

где V=_pE – скорость дрейфа дырок в электрическом поле.

При E=210⁶ В/м дрейфовая скорость равна V(68)10⁴ м/с. В данном случае при w=10^-2 мы получим t_др≈10^-8-10^-9 с. Граничная частота для этого диода ∆f≈10⁹ Гц.

Темновой ток, например, кремниевых p-i-n - диодов очень мал и лежит в пределах I_Т≈(18)10^-9 А.

P-i-n - фотодиоды имеют следующие основные достоинства:

1. Сочетание достаточно высокой чувствительности и высокого быстродействия.

2. Малая барьерная емкость.

3. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме (несколько вольт), что обеспечивает электрическую совместимость с интегральными микросхемами.

Недостатками p-i-n - фотодиодов являются:

1. Требование высокой чистоты i-области.

2. Плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.