Фотодиоды

Фотодиод — это фотоприемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода.

На рисунке 13.5 приведены структура простейшего фотодиода, его обозначение на схемах и схематично показаны процессы, происходящие вблизи p-n-перехода.

Рисунок 13.5 — Устройство фотодиода на гомопереходе

На подложке из оксида кремния создаются n и p-слои из одного и того же полупроводникового материала. Толщина подложеи выбирается такой, чтобы фотоны поглощались в n-области.

Фотоны внешнего излучения проникают на глубину в n-область и поглощаются в полупроводнике. Это возможно лишь в том случае, если энергия фотонов (— ширина запрещенной зоны n-области). На расстоянии от поверхности генерируются электронно-дырочные пары. Они представляют собой неравновесные носители заряда и, следовательно, возникают градиенты их концентраций в n-области и . Фотоносители начинают диффундировать к p-n-переходу по направлению градиентов концентраций. Диффузия на рисунке 13.5 показана штриховыми стрелками. Ширина n-области такова, что большая часть образовавшихся фотоносителей в ней не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n-перехода. Там из-за наличия пространственных зарядов положительных и отрицательных ионов (они возникают при образовании p-n-перехода) существует электрическое поле . Оно заставляет дырки дрейфовать в p-область, а электроны не могут преодолеть это поле и скапливаются в n-области на границе перехода. Дрейф на рисунке 14.5 показан сплошными стрелками.

Таким образом, фототок через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. В результате фотоносители — дырки и электроны пространственно разделены в p- и n-областях и создают поле , которое противоположно направлено полю .

Рассмотрим процессы, протекающие в фотодиоде при помощи энергетических диаграмм. Пусть к p-n-переходу не приложено напряжение. На рисунке 13.6 а показана диаграмма в случае отсутствия светового потока ().

В равновесном состоянии при диффузионная составляющая тока через p-n-переход (ток основных носителей) приблизительно равна дрейфовой составляющей тока неосновных носителей (электронов из p- в n-область и дырок в обратном направлении). Основные носители не могут преодолеть потенциальный барьер .

При (рисунок 13.6 б) в n-области под действием фотонов генерируются неравновесные дырки в валентной зоне и электроны в зоне проводимости. Образовавшиеся дырки дрейфуют в p-область, а электроны не могут из n-области перейти в p-область, так как им мешает потенциальный барьер. Таким образом, осуществляется пространственное разделение носителей. Скопление положительных дырок в p-области и электронов в n-области приводит к созданию поля , которое приводит к снижению потенциального барьера до величины . Это может приводить ук дальнейшему ухудшению разделения носителей, поэтому искусственно необходимо увеличить потенциальный барьер за счет приложения обратного смещения.

Дрейфовый поток фотоносителей (дырок в p-область) образует фототок . Из-за разделения фотоносителей возникает разность потенциалов, называемая фото-ЭДС (). Именно она и снижает потенциальный барьер. Если , разделение носителей будет прекращено.

а) б)

Рисунок 13.6 — Энергетические диаграммы фотодиода на
гомопереходе

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает либо вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), либо при обратном внешнем смещении (фотодиодный режим).

Фотогальванический режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода, который работает генератором фото-ЭДС. Схема, соответствующая фотогальваническому режиму работы приведена на рисунке 13.7 а. Ток фотодиода определяется формулой:

где — ток фотоносителей; — ток через p-n-переход; — тепловой ток p-n-перехода; — температурный потенциал. Выражение соответствует ВАХ p-n-перехода.

Рисунок 13.7 — Фотогальванический и фотодиодный
режимы работы

В фотодиодном режиме последовательно с фотодиодом в цепь включается источник обратного напряжения . Схема, соответствующая фотодиодному режиму работы приведена на рисунке 14.7 б. В этом режиме потенциальный барьер возрастает и ток через p-n-переход определяется фототоком и обратным током, равным тепловому. Так как тепловой ток обусловлен движением неосновных носителей заряда, то он мал и полный ток определяется только фототоком:

Дата добавления: 2014-01-04