5.3. Фотодиоды

5.3.1. Фотодиоды на основе p-n – перехода

При световом потоке равном нулю энергетические диаграммы диода и фотодиода (ФД) совпадают. В обычном диоде протекает ток при U 0. В ФД идет ток, когда на него падает поток Ф при U=0.

Упрощенная структура ФД показана на рис.

При воздействии на ФД светового потока Ф в результате поглощения фотонов с энергией hv  ∆E, где ∆E – ширина запрещенной зоны ФД, в n – области возникают электронно-дырочные пары (фотоносители), которые диффундируют вглубь n – области. Ширина n – области w такова, что основная доля образовавшихся носителей не успевает рекомбинировать в ней и доходит до границы p-n –перехода. При этом электроны скапливаются у границы p-n –перехода, а дырки переходят в p-область.

Таким образом, ток фотоносителей через p-n - переход обусловлен дрейфом неосновных носителей (дырок).

В обычном диоде при приложении прямого напряжения к p-n – переходу ток определяется диффузионной составляющей основных носителей (носители, образованные донорной и акцепторной примесями), а дрейфовая составляющая тока является паразитной.

В фотодиоде при его облучении ток определяется дрейфовой составляющей, а составляющая диффузионного тока является паразитной.

Накапливающиеся электроны в n-области и дырки в p-области создают разность потенциалов U_ф (фотоэдс), которая снижает потенциальный барьер. Величина фотоэдс должна быть меньше потенциального барьера, т.к. разделение фотоносителей заряда возможно только при его наличии.

Если предположить, что каждый фотоноситель принимает участие в фотопроводимости и учитывая величину заряда электрона и дырки равную е , то величину генерируемого фототока можно определить из выражения

I_ф = еФη/ hv,

где η – внутренний квантовый выход.

Режимы работы фотодиода

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в ФД диффузионная составляющая тока была минимальна. Поэтому ФД работает или без внешнего напряжения (фотогальванический режим) или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

На рис. приведена схема включения и схема замещения ФД, работающего в фотогальваническом режиме.

Из схемы замещения находим

I_фд = I_ф – I_д = I_ф(Ф) – I₀(exp(U/φ_т) – 1)),

где I_ф – ток фотоносителей;

I_д – диффузионный ток диода;

U – напряжение на ФД;

I₀(exp(U/φ_т) – 1)) – уравнение ВАХ p-n – перехода.

При разомкнутой внешней цепи (R_н = ∞) I_ф = I_д, I_фд = 0

I_ф(Ф) = I₀(exp(U/φ_т) – 1))

После логарифмирования и несложных преобразований получим уравнение для фотоэдс ФД

U = φ_тln(1+ еФη/ hvI₀)

Таким образом фотоэдс ФД при разомкнутой внешней цепи пропорциональна логарифму светового потока.

На рис. приведена схема включения ФД, работающего в фотодиодном режиме.

Рис.

В этом режиме последовательно с нагрузкой включается источник обратного напряжения Е, при этом потенциальный барьер возрастает и ток через переход I_д будет определяться током I₀, который протекает в отсутствии излучения. При облучении ФД потоком Ф ток в нагрузке будет определяться как

I = I_ф - I_д = I_ф – I₀ ≈ I_ф

Так как I_ф = еФη/ hv, то можно записать, что I_ф = SФ, где S – интегральная чувствительность.

Таким образом значение фототока, протекающего через обратносмещенный p-n – переход, пропорционально световому потоку, т.е. в фотодиодном режиме достигается линейный режим работы ФП.

Вольтамперные характеристики ФД

На рис. приведено семейство ВАХ ФД при различных значениях светового потока, показывающее работу приемника в различных режимах. Семейство ВАХ расположено в 1,2, и 3 квадрантах.

Рис.

В квадранте 1 находится нерабочая область ФД, т.к. здесь к p-n – переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок.

В 3 квадранте находится фотодиодная область работы ФД. К p-n – переходу прикладывается обратное напряжение и фототок в этой области практически не зависит от величины обратного напряжения и величины нагрузки. Здесь, при заданном потоке Ф, ФД можно считать источником тока.

В 4 квадранте находится фотогальваническая область работы ФД. Значение фотоэдс U_ф в этом режиме работы ФД разное для разных типов ФД. Для кремниевого ФД U_ф = 0,50…0,55В.

Энергетические характеристики ФД

Они определяются зависимостями вида I_ф = f(Ф), где Ф – мощность потока излучения, приходящаяся на всю поверхность n – области. Число фотонов, приходящих на всю поверхность в единицу времени, определится как n = Ф/hv и величина фототока I_ф будет пропорциональна n.

В фотодиодном режиме зависимость I_ф = f(Ф) будет представлять собой прямую линию, т.к. в этом режиме все фотоносители будут доходить до p-n – перехода. В фотогальваническом режиме зависимость I_ф = f(Ф) при больших значениях Ф будет отличаться от прямой из-за роста падения напряжения на сопротивлении базы ФД.

На рис. приведены энергетическая характеристика ФД для фотодиодного режима.

Рис.

Спектральная характеристика ФД может быть записана в виде

S_ф(λ) = I_ф/Ф = eηλ/hc₀ = kλ

и представляет собой зависимость фототока от длины волны падающего на ФД оптического излучения. На рис. приведены зависимости S_ф(λ) для двух типов ФД.

Рис.

Быстродействие ФД

Быстродействие ФД определяется:

1. Процессом разделения носителей заряда, возникающих при поглощении излучения полем p-n – перехода;

2. Емкостью p-n – перехода.

Разделение носителей полем p-n – перехода происходит после того, как электрон или дырка из места возникновения продиффундирует к p-n – переходу. Время диффузии носителей определяется из выражения

τ = w²/2D_p,

где w – толщина базы ФД, D_p – коэффициент диффузии дырок.

При w = 1∙10^-5м, D_p = 0,01м²/с (Si), τ = 0,5∙10^-8с = 5нс

Разделение носителей заряда полем p-n – перехода определяется временем пролета носителей через p-n – переход, которое определяется из выражения

t_пр = δ/v_max,

где δ – толщина p-n – перехода;

v_max – максимальная скорость дрейфа носителей.

При δ = 5∙10^-6м, v_max = 5∙10⁴м/с, t_пр = 1∙10^-10с = 0,1нс

Постоянная времени, определяемая емкостью p-n – перехода, имеет величину τ_с ≈ 1нс .

Из приведенных расчетов видно, что быстродействие ФД, в основном, определяется временем диффузии фотоносителей к p-n – переходу τ.

Для уменьшения τ необходимо уменьшать толщину базы w, однако существуют ограничения по минимальной толщине базы, связанные как с конструктивными особенностями так и с изменением барьерной емкости p-n – перехода.

5.3.2. p – i – n – фотодиоды

В быстродействующих ФП с полосой частот до нескольких гигагерц применяются ФД с p-i-n – структурой. Такой ФД состоит, как показано на рис. , из тонкой сильнолегированной p-области, слаболегированного i-слоя и сильнолегированной n-области. При приложении обратного напряжения сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i-область. Падающий на ФП свет вызывает появление фотоносителей в р-слое, которые достигают i-слоя, где ускоряются электрическим полем этого слоя до скорости дрейфа ≈ 10⁵м/с. Так как фотоносители за пределами обедненного i-слоя в p⁺ и n⁺ слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения ≈ 10²м/с оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД.

Поскольку фотоносители перемещаются на расстояние диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Для того, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода, необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном i-слое. Для этого при проектировании ФД с p-i-n – структурой делают p⁺-слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают больше, чем длина поглощения света χ₀. Длина поглощения для Si на длине волны λ = 0,8мкм составляет 10…20 мкм, а величина рабочего напряжения, необходимая для получения достаточно широкого обедненного слоя оказывается порядка 10…20 В.

ФД с p-i-n – структурой обладают чувствительностью порядка 0,5А/Вт, высоким быстродействием (постоянная времени порядка единиц наносекунд). Область спектральной чувствительности 0,5…1,2мкм.