ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ФОТОДИОД

Цель работы: изучение основных физических процессов, определяющих свойства и

параметры фотодиодов, исследование вольт-амперных и световых ха-

рактеристик фотодиодов разных типов и расчет параметров.

ВВЕДЕНИЕ. Фотодиод – это полупроводниковый диод, обладающий свойст-

вом односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения и используемый для преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Действие фотодиода основано на внутреннем фотоэффекте в неоднородных полупроводниках – фотовольтаическом, заключающемся в генерации носителей заряда при поглощении оптического излучения вблизи полупроводникового перехода и их разделения полем этого перехода. Фотодиоды изготавливаются на основе р-п-перехода (гомоперехода) – контакта полупроводников одного химического состава, но с разным типом проводимости; гетероперехода – контакта полупроводников разного химического состава с разной шириной запрещенной и разрешенной зон; выпрямляющего контакта металл – полупроводник или МДП – структуры (металл-диэлектрик-полупроводник).

Для определенности рассмотрим фотодиод на основе несимметричного р-п-перехода, когда р-область легирована сильнее (концентрация акцепторных примесей N_a >N_d – концентрации донорных примесей). При отсутствии освещения и источника питания в фотодиоде устанавливается равновесное состояние между тепловыми потоками носителей заряда через переход, появляется обедненный приконтактный слой толщиной d₀ , в котором существует электрическое поле Е_к и контактная разность потенциалов ц_к (рис. 1, а). ММ – металлургическая граница, разделяющая области с электронной п и дырочной р проводимостями. Квазинейтральная часть слабее легированного п-слоя называется базой W_б (при условии N_a >N_d это часть п-слоя), сильнее легированного р-слоя – эммитером W_э и W_бW_э. Зонная диаграмма фотодиода аналогична зонной диаграмме обычного диода (рис.1, б): уровень Ферми одинаков в п- и р-слое, а диффузионная плотность тока _диф основных носителей заряда и дрейфовая плотность тока _др неосновных носителей заряда взаимно компенсируются. Ширина потенциального барьера равна d₀, а высота qц_к , где q- заряд электрона, ц_к- контактная разность потенциалов, n₀ р₀ - равновесные концентрации в п- и р-слое соответственно.

При освещении базы в ней генерируются неравновесные носители заряда – электроны и дырки с концентрациями n, p соответственно. Изменение концентрации электронов n-n₀ в базе мало по сравнению с равновесной (т.к. n_no >> p_no), а дырок – значительно. Неравновесные носители заряда диффундируют к левой границе р-п-перехода. Если толщина базы W_б меньше диффузионной длины дырок L_р, то большая часть дырок дойдет до р-п-перехода, ускорится в нем контактным полем _к и перейдет в р-область, заряжая ее положительно относительно n-области.

Этот дрейфовый ток дырок в р-п-переходе называется фототоком и равен

I_ф= q , (1)

где - квантовый выход, т.е. число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом излучения; ч- коэффициент собирания, равный относительной доле неравновесных носителей заряда, доходящих без рекомбинации до р-п-перехода; Ф- падающий поток излучения; н- частота излучения; h- постоянная Планка.

Для электронов поле _к является тормозящим и они остаются в n-области, заряжая ее отрицательно. Таким образом, при постоянном освещении в р-области накапливаются дырки, в п-области – электроны, это приводит к появлению фотоЭДС ц, поле которой направлено против поля _к. В результате потенциальный барьер при освещении р-п-перехода снижается до величины q( _к - ), что соответствует смещению р-п-перехода в прямом направлении (рис. 2, а, б). Уровни Ферми в п- и р-слое смещаются на величину q . Понижение потенциального барьера приводит к появлению прямого диффузионного тока дырок из р-области в п-область, а электронов из п-области в р-область, называемого инжекционным, равным , где I_S - ток насыщения р-п-перехода; k - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура. В результате установится динамическое равновесие между фототоком I_ф и инжекционным током I_инж = :

I_ф - =0.

При подключении к выводам фотодиода источника напряжения U в цепи потечет ток I, величина которого определяется разностью встречных токов через р-п-переход:

I= I_ф - . (2)

Уравнение (2) описывает семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) фотодиода (рис. 3), параметром которого является величина светового потока Ф.

Рис. 3

Рабочей областью ВАХ фотодиода являются квадранты III, IV, когда фотодиод работает в фотодиодном (III) или фотогальваническом (вентильном, фотовольтаическом) режиме (IV). Квадрант I – это нерабочая область ВАХ фотодиода. Здесь к р-п-переходу прикладывается прямое напряжение и большой инжекционный ток полностью подавляет фототок. Управление током через фотодиод с помощью оптического излучения становится невозможным. В фотодиодном режиме работы фотодиода во внешнюю цепь включается источник

питания в обратном направлении и сопротивление нагрузки R_н (рис. 4, а). Напряже-

Рис. 4

ние на фотодиоде равно U_ФД=U_R - U, а уравнение ВАХ имеет вид:

I= I_ф - , (3)

где U_R=I R_н - напряжение на нагрузке. При достаточно больших отрицательных

смещениях из (3) следует, что 0 и I=I_Ф+ I_S. С учетом (1)

I=q +I_S , (4)

что означает, что ток в цепи фотодиода не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью засветки Ф и зависит от нее линейным образом.

Действительно, из рис. 4, б видно, что при освещении фотодиода его обратная ветвь опускается вниз на величину I_Ф(Ф), а на нагрузочном сопротивлении R_н появляется сигнал U_R=IR_н , который и регистрируется. Определить для заданной нагрузки R_н ток I можно, решая уравнение (3) при U_R=IR_н относительно I, или графически с помощью нагрузочной прямой U_ФД + U=IR_н (рис. 4, б).

В фотогальваническом режиме источник питания в цепи фотодиода отсутствует (рис. 5, а). Уравнение ВАХ имеет вид:

I=I_Ф -I_S , (5)

Рис. 5

а семейство ВАХ при разных значениях потока излучения представлено на рис. 5, б. Характеристическими точками ВАХ в вентильном режиме являются ЭДС холостого хода U_хх и ток короткого замыкания I_кз.. При холостом ходе R_н= , I=0, а

U_xx = . (6)

При коротком замыкании U_R = 0 и I_кз =I_Ф. В этих крайних положениях мощность, выделяющаяся в нагрузке, равна нулю. В промежуточных положениях имеется некоторое оптимальное сопротивление нагрузки R_{н опт}, при котором выделяемая в нем мощность максимальна:

P_max= aU_xx I_кз , (7)

где а- коэффициент формы вольт-амперной характеристики (0<a<1). Чем больше а,

тем ближе форма ВАХ к идеальному прямоугольнику, обозначенному на рис. 5, б штриховой линией. В вентильном режиме фотодиод используется как фотоэлемент (для получения фотоЭДС) и характеризуется коэффициентом полезного действия  преобразования световой энергии в электрическую:

= (8)

Величина  является определяющим параметром для солнечных батарей – системы последовательно-параллельно соединенных вентильных фотоэлементов из Si, GaAs, реже CdS, CdTe c большой площадью приема излучения, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Для них  зависит от степени перекрытия области спектральной чувствительности фотоэлемента и спектра солнечного излучения, степени концентрации света, внутреннего сопротивления и т.д. и достигает 15…18 %.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом из Ge, Se, CuO₂, AgS, TlS применяются в качестве чувствительных датчиков оптического излучения, имея интегральную чувствительность на 2-3 порядка выше, чем у элементов с внешним фотоэффектом.

К основным параметрам фотодиода относятся:

1) Монохроматическая чувствительность s, мА/лм или мА/Вт, равная отноше-

нию фототока I_Ф к полному потоку излучения Ф с длиной волны , падающего на чувствительную площадку фотодиода:

S= . (9)

Чувствительность фотодиода к излучению сложного спектрального состава называют интегральной чувствительностью S_инт= , где S( )- спектральная плотность чувствительности.

При определении паспортной интегральной чувствительности фотодиода видимого диапазона эталонным источником излучения является светоизмерительная лампа накаливания при цветовой температуре 2856 10К (источник типа А); для фотодиода ИК-области спектра – полный излучатель (черное тело) с температурой полости 1273 15К. Чувствительность фотодиода – величина постоянная, не зависящая от величины потока излучения Ф и напряжения, приложенного к фотодиоду.

Вместо чувствительности иногда рассматривают квантовую эффективность ₀, равную отношению числа фотогенерированных электронно-дырочных пар I_Ф/q к числу падающих на фотодиод фотонов Ф/h :

, (10)

где q- заряд электрона; h- постоянная Планка; - частота излучения;

2) темновой ток I_т, равный току утечки фотодиода при полном затемнении;

3) максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max доп};

1. граничная частота f_гр, определяется по спаду чувствительности при немодули-

рованном излучении;

2. время нарастания t_нр(сп) (спада) фототока, определяемое по фронту (срезу) фо-

тоответа при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения;

3. емкость фотодиода с, равная сумме зарядной емкости активной области фо-

тодиода и паразитной емкости корпуса. Последними двумя параметрами характеризуется инерционность фотодиода, определяющая быстродействие или время фото- ответа.

К основным характеристикам фотодиода относятся вольт – амперная характеристика I(U) (рис. 3), спектральная характеристика S( )- зависимость монохроматической чувствительности от длины волны падающего света (рис. 6, а), световая (энергетическая) характеристика I(Ф)- зависимость тока фотодиода от потока света (излучения) Ф, падающего на фотодиод (рис. 6, б).

Рис. 6

На рис. 6, а представлены спектральные характеристики фотодиода на основе GaAs, Si, Ge. Спад чувствительности в области больших длин волн соответствует краю собственного поглощения материала фотодиода, когда энергия кванта примерно равна ширине запрещенной зоны E_g полупроводника. В области малых длин волн уменьшение чувствительности обусловлено сильным поглощением излучения в приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда за счет ловушек значительно больше, чем в объеме материала. Для повышения чувствительности фотодиода в коротковолновой области создают большие тянущие электрические поля в базе путем введения промежуточного i-слоя собственного полупроводника – это p-i-n-диоды.

Световая характеристика фотодиода в фотодиодном режиме (кривая 1 на рис. 6, б) является линейной в широком диапазоне потоков излучения. Это связано с тем, что практически все неравновесные носители заряда доходят до отрицательно смещенного р-п-перехода и разделяются его электрическим полем.

В вентильном режиме световая характеристика I_кз(Ф) становится нелинейной при высоких потоках излучения (кривая 2 на рис. 6, б). В режиме холостого хода зависимость U_xx(Ф) (кривая 3) линейна только при малых потоках излучения, пока I_Ф<<I_S. В общем случае зависимость U_xx(Ф) нелинейна, как следует из (6):

U_xx= .

Нелинейность световой характеристики U_xx(Ф) связана с уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточных носителей заряда на границах р-п-перехода и уменьшением электрического поля в нем. Следствием этого является замедление роста U_xx при увеличении Ф₀.

При использовании фотодиода в качестве чувствительного фотоприемника фотодиодный режим применяется в цепях с большим сопротивлением нагрузки, величина сигнала велика при высоком быстродействии до 10^-6с, причем зависимость I(Ф) линейна. Фотодиод в фотогальваническом режиме имеет малое внутреннее сопротивление, поэтому используется в цепях с малым сопротивлением нагрузки. Отсутствие источника питания в цепи дает существенно меньшие шумы, а значит, большее отношение сигнал/шум, хотя и при меньшем быстродействии.