1.1.6.9. Фотодиод

В фотодиоде имеется обедненная область полупроводника с сильным электрическим полем, в котором происходит разделение электронно-дырочных пар, возбуждённых под действием света. Для работы фотодиода на высоких частотах необходимо обеспечить малые времена пролета, поэтому обедненная область должна быть тонкой. С другой стороны, для увеличения квантовой эффективности (число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесенное к числу падающих фотонов) обеднённый слой должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечить поглощение большей части излучения. Таким образом, существует взаимосвязь между быстродействием и квантовой эффективностью.

В работе фотодиода определяющую роль играет излучение, сосредоточенное в узком интервале длин волн в центре оптического диапазона. При работе в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах диоды обычно смещаются в обратном направлении с помощью сравнительно большого напряжения, чтобы уменьшить время пролета носителей и снизить емкость перехода. Напряжение смещения, однако, не настолько велико, чтобы вызвать лавинный пробой. В семейство фотодиодов входят диоды с р-n-переходом, p-i-n-диоды, диоды со структурой металл-полупроводник (с барьером Шоттки) и диоды с гетеропереходом.

Рассмотрим общие характеристики фотодиодов.

Квантовая эффективность, как уже говорилось выше, представляет собой число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесённое к числу падающих фотонов и равна

, (1.1.33)

где - фототок, обусловленный поглощением падающего оптического излучения с мощностью и длиной волны, соответствующей энергии .

Сравнительным критерием качества является чувствительность, которая определяется как отношение фототока к оптической мощности

. (1.1.34)

Таким образом, для данной квантовой эффективности чувствительность линейно растёт с ростом длины волны. Для идеального фотодиода, при чувствительность равна

(А/Вт), (1.1.35)

где длина волны выражена в микрометрах.

Скорость фотоответа ограничивается тремя факторами: диффузией носителей, временем дрейфа через обедненную область, и емкостью обедненной области. Носители, генерированные за пределами обедненной области, должны диффундировать к переходу, что существенно увеличит время задержки. Чтобы уменьшить влияние диффузии, необходимо формировать переход вблизи поверхности. Основная часть излучения поглощается в том случае, когда обедненная область достаточно широка. При достаточно высоких обратных смещениях дрейф носителя осуществляется со скоростью насыщения. Обедненный слой, однако, не должен быть слишком широким, иначе время переноса будет ограничивать скорость фотоответа. Кроме того, он не должен быть слишком узким, иначе за счет большой емкости будет велика постоянная времени ( -сопротивление нагрузки). Оптимальной шириной обедненного слоя считается такая ширина, при которой время переноса равно примерно половине периода модуляции излучения. Например, для частоты модуляции, равной 10 ГГц, оптимальная ширина обеднённого слоя в кремнии составляет ~5мкм.