Фотодиоды

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

Упрощенная структура фотодиода изображена на рис. 2.3.

Рис. 2.3

Допустим, что излучение воздействует в направлении области n, перпендикулярно плоскости p–n-перехода (рис. 2.3). В результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области вблизи поверхности возникают электронно-дырочные пары (фотоносители). Фотоносители диффундируют в глубь n-области. Ширина n-области такова, что основная доля созданных излучением фотоносителей не успевает рекомбинировать в n-области и доходит до границы p–n-перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем p–n-перехода напряженностью , при этом дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода в n-области.

Таким образом, при наличии светового потока p-слой заряжается положительно, n-слой отрицательно. Возникает фото-ЭДС ( ), снижающая потенциальный барьер p–n-перехода до значения . Это приводит к возникновению диффузионной составляющей тока через переход навстречу дрейфовой составляющей, т.е. навстречу фототоку . В фотодиоде она – паразитная составляющая тока через p–n-переход. Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим или фотогенераторный), или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим или фото-преобразовательный).

Фотогальванический режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода (рис. 2.4,а), т.е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС. Ток фотодиода в фотогальваническом режиме:

, (2.7)

где – ток фотоносителей (фототок); – сопротивление нагрузки; – диффузионный ток через переход; – напряжение на диоде; – тепловой ток p–n-перехода; – температурный потенциал; – уравнение ВАХ p–n-перехода.

При разомкнутой внешней цепи ( , ) . Тогда из выражения (2.7) можно получить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

. (2.8) При коротком замыкании в нагрузке напряжение на фотодиоде , а ток фотодиода .

В фотодиодном режиме работы последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения (рис. 2.4,б). В этом режиме потенциальный барьер возрастает, и диффузионный ток через переход будет равен нулю.

Тогда выражение для тока фотодиода можно записать в следующем виде:

. (2.9)

Вольт-амперная характеристика фотодиода описывается выражением (2.7) и представляет собой зависимость тока от напряжения на фотодиоде при разных значениях потока излучения , т.е. является уравнением семейства ВАХ фотодиода. Графики ВАХ приведены на рис. 2.5. При отсутствии освещения ( = 0) в фотодиоде протекает лишь темновой ток , являющийся обратным током p–n-перехода, и ВАХ подобна обычной диодной характеристике.

а) б)

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант I – это не рабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p–n-переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок ( ). Фотоуправление током через диод здесь становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p–n- переходу прикладывается обратное напряжение.

Следует заметить, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. ВАХ нагрузочного резистора (нагрузочная прямая) представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

. (2.10)

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток . Этот ток можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного резистора (рис. 2.5, квадрант III). Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке

излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока от параметров внешней цепи ( , ) практически не зависит.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. По точкам пересечения ВАХ с осью напряжения можно определить значения фото-ЭДС (напряжения холостого хода ) при разных значениях светового потока. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно 0,5 – 0,55 В, а для фотодиодов из арсенида галлия 0,85 В. Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствует значениям токов короткого замыкания .

Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые при разных значениях выходят из начала координат под разными углами. При заданном значении светового потока по ВАХ фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в нагрузку будет передаваться наибольшая электрическая мощность. Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде и, следовательно, на нагрузке достигает значений порядка 0,35 – 0,4 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, часто используют в качестве источников питания – солнечных батарей. Теоретически достижимый КПД солнечных батарей составляет 30 %, а в реальных условиях при использовании кремниевых фотодиодов – 19 %. Для использования в качестве солнечных элементов нужно, чтобы их спектральная характеристика захватывала область видимого спектра.

Зависимость фототока от светового потока называется энергетической характеристикой (рис. 2.6), а зависимость фототока от освещенности – световой характеристикой. В фотодиодном режиме энергетическая характеристика линейна (в рабочем диапазоне значений потока излучения). Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания , либо фото-ЭДС ( ) от потока излучения. При больших световых потоках закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного. Для функции линейна появление нелинейности связано, прежде всего, с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы фотодиода. Замедление роста фото-ЭДС при увеличении потока излучения объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок в p-области, и как следствие этого процесса – поле перехода уже значительно в меньшей степени разделяет фотоносители.

Быстродействие или частотные свойства фотодиодов определяются, с одной стороны, процессами разделения носителей, возникающих при поглощении излучения, полем перехода, с другой стороны – емкостью p–n-перехода. Следовательно, инерционность фотодиодов зависит от времени диффузии или дрейфа неосновных носителей заряда через базу, времени их пролета через p–n-переход и времени перезаряда барьерной емкости. Таким образом, частотные свойства фотодиодов зависят от материала полупроводника, толщины базы и площади p–n-перехода.