Фотодиоды

Фотодиодами называют фотоэлектрические полупроводниковые приборы, в которых при воздействии световой энергии возникают электронно-дырочные пары, разделяемые p-n-переходом и образующие фототок.

В системах связи используются главным образом:

• p-i-n – фотодиоды, обладающие наиболее высоким быстродействием при высокой чувствительности;

• лавинные фотодиоды – характеризуются наиболее высокой чувствительностью при высоком быстродействии.

Фотодиоды (без освещения)

В фотодиоде без внешнего воздействия (диффузия, рекомбинация, ):

– уровень Ферми единый для p и n областей;

– возникает "тепловой" ток I0, вызванный встречным потоком неосновных носителей;

– создается область объёмного заряда - слой обеднённый носителями зарядов:

где D – коэффициент диффузии,  – время жизни, Nд – концентрация доноров.

• с оздается потенциальный барьер eU₀

где: n_эл – концентрация электронов,

n_д – концентрация дырок,

n₀ – собственная концентрация носителей

– наличие объёмного заряда означает, что p-n переход представляет собой конденсатор ёмкостью:

возникает темновой ток I_T , вызванный встречным диффузионным

движением носителей зарядов:

Фотодиоды (при облучении)

Фототок:

где g – часть нерекомбинировавших зарядов, дошедших до перехода;

h – квантовый выход; Ф – освещённость;

– при hν>Eg образуются электрон - дырочные пары фотоносителей;

– фотоэлектроны и фотодырки разделяются (дрейфуют) полем p-n – перехода;

– дрейфовый ток преобладает над диффузионным;

– диффузионный ток в фотодиоде является паразитным;

– снижается внутренний потенциальный барьер;

– уровень Ферми смещается;

• в о внешней цепи образуется ток:

Вольт–амперная характеристика фотодиода

Квадранты:

I – область работы выпрямительного диода и нерабочая область для фотодиода.

III – фотодиодная область работы фотодиода (фотодиодный режим работы фотодиода).

IV – соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода (область работы фотодиода для гелиоэнергетики).

Фотодиод в фотогальваническом режиме

Т ок фотодиода в фотогальваническом режиме равен:

г де I_Ф – ток фотоносителей (фототок); R_н – сопротивление нагрузки; I_pn – ток p-n перехода; U = U₀–U_Ф– напряжение на диоде; I₀ – тепловой ток p-n перехода;

П ри разомкнутой внешней цепи (R=¥): I_Ф=I_pn . Напряжение при холостом ходе:

При коротком замыкании в нагрузке (R=0) напряжение на фотодиоде U=0, а ток фотодиода создан потоком фотоносителей, т.е. I_кз=I_Ф.

Ф отодиод в фотодиодном режиме

В фотодиодном режиме (при подаче обратного напряжения):

- скорость дрейфа фотоносителей увеличивается;

- возрастает потенциальный барьер;

- обеднённая область расширяется;

- уменьшается ёмкость перехода;

- ток фотодиода при этом:

p-i-n фотодиоды

С лой i (intrinsic - собственный) – нелегированный слой с удельным сопротивлением в 10⁶ - 10⁷ раз большим, чем сопротивление легированных областей.

Толщина i - слоя составляет 10 мкм и более.

Фотоны света поглощаются в основном в i–слое и образуют свободные электронно-дырочные пары.

Электронно-дырочные пары ускоряются высоким электрическим полем. При этом увеличивается скорость дрейфа фотоносителей.

Введение толстого i-слоя увеличивает чувствительность фотоприёмника.

П риложение высокого обратного напряжения в p-i-n увеличивается быстродействие (10^-9 с) благодаря увеличению скорости дрейфа фотоносителей и уменьшению барьерной ёмкости.