Фотодиоды

Если р-n переход осветить светом с энергией , способным вызывать генерацию электронно-дырочных пар, то через р-n переход начнет протекать фототок, если он коротко замкнут или же появится фото э.д.с., если р-n переход разомкнут. Эффект возникновения на переходе э.д.с. при освещении светом называется вентильным эффектом. Рассмотрим физическую природу этого эффекта.

При освещении р-п перехода светом в области р-п перехода и примыкающем к р-n переходу слое шириной , где - длины диффузионного смещения дырок и электронов, генерируется избыточная концентрация носителей тока. Поскольку в р-п переходе концентрация носителей тока значительно меньше, чем в р - и п - областях, то возникающий градиент концентрации вызывает диффузию электронно-дырочных пар к р-n переходу. В области р-п перехода они разделяются полем контактной разности потенциалов: электроны перебрасываются в п - область, где уменьшают положительный заряд ионов донорной примеси, а дырки в р - область, снижая отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Возникающий электрический ток, обусловленный разделением носителей тока на р-п переходе, называется фототоком . Снижение объемного заряда на р-п переходе действует эквивалентно его прямому смещению. На переходе возникает э.д.с V_Ф, называемая фото-э.д.с. Она вызывает снижение потенциального барьера на величину , обуславливая появление прямого тока основных носителей заряда, направленного против фототока. Снижение барьера происходит до тех пор, пока фототок и прямой ток не уравняются.

Так как фототок через р-п переход протекает независимо от тока, вызванного приложенным напряжением, то полный ток через освещенный р-п переход равен:

, (15.7)

где V - напряжение на р-п переходе. Это уравнение называется общим уравнением освещенного р-п перехода. На рисунке 15.10 приведены вольтамперные характеристики р-п перехода в отсутствии освещения (Ф = 0) и

Рис.15.10. Вольтамперные характеристики р-п перехода при разных уровнях светового потока.

и освещении (Ф ₂ > Ф ₁ > 0). Видно, что при прямом смещении (квадрант I) свет слабо влияет на величину прямого тока. Основное влияние света на величину тока через р-п переход обнаруживается при обратном смещении (квадрант Ш), когда полный ток равен сумме темнового и фототока (см.рис.15.10), практически растет пропорционально интенсивности освещения. Работа освещенного р-п перехода при его отрицательном смещении называется фотодиодным режимом и используется для изготовления фотоприемников излучения - фотодиодов.

На IV квадранте на прямое напряжение накладывается фото-э.д.с., что приводит к смещению вольтамперных характеристик освещенного р-п перехода в область положительных напряжений на величину V_XX. Режим работы р-п перехода в этой области называется фотогальваническим режимом и применяется для изготовления преобразователей световой энергии в электрическую – солнечных батарей. Часто р-п переход, работающий в фотогальваническом режиме, называют также фотоэлементом. В настоящее время созданы солнечные батареи с КПД до 20% и выходной мощностью до нескольких киловатт. Они находят широкое применение как источники питания космических аппаратов, в жилых домах, в различных производствах и т.д. Их практическое применение непрерывно возрастает.

Если р-п переход разомкнут, то полный ток в цепи равен 0, а на освещенном р-п переходе действует только фото-э.д.с. V _Ф. Тогда из (15.7), приравняв , можно получить выражение для V _Ф:

, (15.8)

где V_ХХ – э.д.с. холостого хода, равная максимальной фото э.д.с. при данном уровне интенсивности света (см. рис.15.10 при Ф=Ф₁)

Если р-п переход закорочен, то можно считать, что напряжение на р-п переходе равно нулю. Тогда через освещенный р-п переход течет максимальный фототок при данном уровне освещенности, равный току короткого замыкания (см. рис.15.10 при Ф=Ф₁).

На рисунке 15.11 приведены структура и условно графическое изображение фотодиода и электрические схемы его включения в

Рис. 15.11. Структура а), условное обозначение б) фотодиода и схемы его работы в фотогальваническом в) и в фотодиодном г) режимах.

фотогальваническом и фотодиодном режимах. Как видно, в фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в электрической цепи отсутствует, при этом фотодиод становится источником ЭДС с . В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение и в электрическую цепь включают нагрузку R. При включении нагрузочного сопротивления через диод течет ток , вызывающий на нем падение напряжения . На эту же величину снижется фото э.д.с. на р-п переходе диода:

, (15.9)

а вольтамперная характеристика фотодиода запишется в виде:

. (15.10)

Работу фотодиода на нагрузочное сопротивление можно наглядно показать графически. Для этого на вольтамперных характеристиках освещенного р-п перехода (рис.15.10) построим характеристику нагрузочного резистора R, представляющая собой прямую от начала координат. Проекции точек пересечения этой нагрузочной прямой с вольтамперной характеристикой (на рис. 15.10 при Ф=Ф₁) на оси координат и определяют ток I_R и падение напряжения V_R.

Работа фотодиода как приемника излучения описывается следующими основными параметрами:

- интегральной чувствительностью К_Ф, представляющая собой коэффициент пропорциональности между фототоком и интегральным световым потоком: ;

- спектральной чувствительностью К_λ, определяемая отношением фототока к монохроматическому (на данной длине волны) световому потоку;

- пороговой чувствительностью, определяемая мощностью светового потока, при котором фотосигнал превышает мощность шума;

- инерционностью, которая определяет быстродействие и рабочие частоты фотодиода.

15.3.4. Р-i-n – и лавинные фотодиоды.

Основной недостаток обычных фотодиодов – их сравнительно низкое быстродействие из-за большого значения барьерной емкости р-п перехода, что не позволяет применять их, например, в оптических линиях связи. С целью повышения быстродействия разработаны специальные диоды – р-i-п фотодиоды и лавинные фотодиоды.

В р-i-п фотодиодах (см.также раздел 1.4) (рис.15.12, а) между тонкими

п

а) б)

Рис.15.12. Структура р-i-n а) и лавинного б) фотодиодов.

1-омические контакты, 2-диэлектрическая изоляция, 3- охранное кольцо и 4- просветляющее покрытие.

высоколегированными р⁺ и п ⁺ слоями полупроводника располагается слой собственного полупроводника толщиной более длины поглощения светового излучения. При приложении обратного напряжения i -слой обедняется, что, во-первых, уменьшает емкость р-п перехода, а, во-вторых, расширяет область поглощения излучения, повышая чувствительность фотодиода. В области i -слоя при этом создается сильное электрическое поле (~10⁵ В/м). Это поле значительно ускоряет движение носителей тока практически до скорости насыщения (~10⁵ м/с), что значительно выше диффузионных скоростей в обычных фотодиодах. Таким образом, в р-i-п фотодиодах за счет уменьшения барьерной емкости перехода и повышения скорости движения носителей тока значительно возрастает быстродействие, граничная частота в них составляет величину порядка 10⁹ Гц.

Лавинные фотодиоды характеризуются высоким быстродействием и

высокой чувствительностью, что обуславливает их широкое применение как приемники излучения в волоконно-оптических линиях связи. Работа лавинных фотодиодов основана на умножении носителей тока при лавинном пробое р-п перехода фотодиода. Для обеспечения лавинного пробоя необходимо выполнение следующих условий:

- в области р-п перехода электрическое поле должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега фотовозбужденный электрон набрал достаточную энергию для ударной ионизации атома полупроводника;

- ширина р-п перехода, в котором сосредоточено электрическое поле, должна превышать длину свободного пробега электронов.

Конструктивно лавинный фотодиод (рис. 15.12, б) выполняется на высокоомной подложке p -типа (p ~ 5·10¹⁵ см^–3) с последующим созданием n⁺ - слоя на поверхности, полученным при помощи диффузии или ионной имплантации. Чтобы избежать поверхностного пробоя, n⁺ -слой обычно окружают слабо легированным охранным кольцом n -типа. В нижней части структуры создается р ⁺-слой для формирования омического контакта.

Коэффициент лавинного умножения в лавинных фотодиодах может достигать нескольких сотен, что позволяет значительно повысить их чувствительность. Быстродействие таких фотодиодов составляет доли наносекунд.

Разработаны фотодиоды на гетероструктурах, например, на гетероструктуре InGaAsP на подложке InP, в которых сочетаются преимущества р-i-n – и лавинных фотодиодов и они позволяет реализовать быстродействующие фотоприемные устройства с напряжением питания до 400 вольт.

Дата добавления: 2015-05-06