Устройство р-i-п-фотодиода

В предыдущем разделе мы рассмотрели взаимодействие света с ри-переходом. На основе -переходов функционирует основная масса со­временных ФПМ. К числу наиболее простых и распространенных ФПМ от­носятся фотодиоды (ФД). Такие ФД представляют собой трехслойную структуру, в которой между слоями типов находится слаболегирован­ный тонкий слой, или, как говорят, слой с собственной проводимостью. Такая структура позволяет сформировать тонкий высоколегированный ■слой, практически полностью пропускающий падающее излучение, на по­верхности слоя с собственной проводимостью типа. Как известно, рас­пространение обедненного слоя внутрь материала пропорционально удель­ному сопротивлению материала; особенно широк этот слой, следовательно, на границах

Обратного напряжения в несколько вольт достаточно, чтобы обедненная область распространилась на весь слой. Ширина слоя выбирается таким

Рис. 2.20.Конструкция и диаграмма, поясняющие действие фотодиода:

а - структура фотодиода; б - распределение заряда в -структуре; в - распределение

напряженности поля в структуре; г - распределение потенциала в обратносмещенной

структуре

образом, чтобы обеспечить практически полное поглощение падающего из­лучения, что позволяет получить высокую квантовую эффективность. Попе­речное сечение фотодиода, а также распределение концентраций заря­дов, напряженности электрического поля и потенциала в структуре при обратном смещении, представлено на рис. 2.20. Считая в первом приближе­нии поле внутри слоя однородным, можно записать

где - напряжение обратного смещения, приложенное к электродам ФД;

- ширина слоя. Собственную емкость ФД можно представить как ем­кость плоского конденсатора и записать в виде

где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; го - ди­электрическая проницаемость вакуума; - площадь перехода; - ширина слоя, или, точнее, ширина слоя объемного заряда.

2.5.3. Режимы работы фотодиода

В зависимости от схемы подключения ФД к электрической цепи разли­чают два режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный. Парамет­ры и характеристики ФД в этих режимах имеют некоторые отличия. Режим включения, когда внешний источник питания смещает -переход ФД в обратном направлении, называется фотодиодным. Принципиальная схема включения диода в этом режиме представлена на рис. 2.21. Схема характе­ризуется наличием источника ЭДС С/Ип, напряжение которого приложено к диоду в обратном направлении и нагрузочным резистором с которого

снимается выходной сигнал При включении ФД в обратном смещении

ток, протекающий через фотодиод-, равен

где - напряжение, приложенное к

ФД (с учетом знака); - фототок

(см.(2.46)). При достаточно большом об­ратном напряжении экспоненци­альный член становится достаточно ма­лым и тогда

Описать электрическую схему (рис. 2.21) можно следующим соотношением:

Воспользовавшись формулами (2.51)—(2.53), легко построить нагрузоч­ную прямую на графике семей­ства вольт-амперных характе­ристик ФД (см. рис. 2.22). Ра­бочая точка определяется пе­ресечением нагрузочной пря­мой и соответствующей данно­му потоку ветви характеристи­ки ФД. Максимальный поток излучения, который можно зарегестрировать при заданных определяется пересе­чением нагрузочной кривой с осью ординат. В аналитиче­ской форме это можно запи­сать следующим образом:

где . - токовая чувствительность ФД; - максимальный поток излуче-

ния, который может зарегистрировать ФД в фотодиодном режиме.

Необходимо отметить, что фотодиодный режим работы является линей­ным, так как ток, протекающий через ФД и напряжение на нагрузке прямопропорциональны потоку излучения.

Если ФД не имеет внешнего источника питания, он работает как пре­образователь энергии светового излучения в электрическую и эквивалентен генератору, характеризующемуся напряжением холостого хода или током короткого замыкания Схема включения ФД в фотогальваническом ре­жиме приведена на рис. 2.23. Вольт-амперные характеристики для диода, включенного в фотогальваническом ре­жиме, приведены на рис. 2.24. Чтобы по­лучить основные соотношения для фото­гальванического режима, вспомним фор­мулу (2.46) для р-п-перехода под действи­

ем потока излучения, которую можно переписать в следующем виде:

где - напряжение ненагруженного ФД, которое фактически равно измене­нию потенциала барьера -перехода Таким образом, получаем

Из формулы (2.56) следует, что пои малой облученности, т.е. пр! зависимость напряжения на ФД от фототока, а следовательно, и от пото­ка излучения близка к линейной

При больших значениях облученно­сти, когда , эта зависимость - логарифмическая

Нагрузочная прямая для фотогальванического режима описывается формулой

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Дата добавления: 2017-01-14