Измерение основных характеристик и параметров фотодиодов

Москва 2022г.

Оглавление

Принцип действия фотодиода. 3

Режимы включения фотодиода 9

Расчет оптимального сопротивления нагрузки. 11

Принцип действия фотодиода.

Принцип действия ФД основан на внутреннем фотоэффекте – фотогальваническом эффекте в неоднородном полупроводнике, который проявляется в образовании под действием оптического излучения ЭДС.

Энергия фотона передается электронам валентной зоны с переводом их в зону проводимости (фотопроводимости) при условии, что энергия фотона больше ширины запрещенной зоны

_ф = h  _с - _v,

где  _с, _v - энергетические уровни дна зоны проводимости и потолка валентной зоны , соответственно; h - постоянная Планка.

Фотоэффект возможен только при воздействии оптического излучения с длиной волны, меньшей граничной длины волны

 _гр = hс  (_с -_v)  1,24 /  ,

где  - ширина запрещенной зоны [эВ]; с - скорость света.

Максимум чувствительности полупроводника находится вблизи _гр, так как при уменьшении длины волны увеличивается поглощение и уменьшается проникновение излучения в полупроводник, т.е. возбуждается меньшее количество атомов по сравнению с большей длиной волны. Из-за этого у всех полупроводников селективная по длине волны чувствительность:

кремний - _{гр =} 1,1 мкм;

германий - гр = 1,8 мкм;

сернистый кадмий - _гр = 0,7 мкм;

селенистый кадмий - _гр= 0,8 мкм.

Фотодиоды выполняются в виде пластинки полупроводника, разделенной на две области с двумя примесями с различными типами проводимости - n и p. Пограничную область называют p-n переходом. К внешним областям полупроводника присоединены контакты для связи с внешней электрической цепью. Структурная схема фотодиода показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема фотодиода

При отсутствии облучения, при рабочей температуре каждая примесь содержит:

• основные подвижные носители, образованные в подавляющем большинстве термическим возбуждением атомов примесей;

• неосновные подвижные носители, образованные термическим возбуждением атомов собственного полупроводника, причем неосновных носителей много меньше, чем основных;

• неподвижные заряды - ионизированные атомы примеси;

• нейтральные атомы.

При отсутствии облучения (при рабочей температуре) на границе областей с различными концентрациями носителей происходит обмен носителями, направленный на выравнивание концентраций по обе стороны от границы.

а) За счет диффузии основных носителей - электронов из n-области в р-область и дырок из р-области в n-область; в результате рекомбинации электронов и дырок образуются нейтральные атомы и приконтактные участки обедняются основными носителями и в них возникает контактная разность потенциалов, образованная неподвижными зарядами - ионизированными атомами примесей, противодействующая дальнейшей диффузии основных носителей ( + у n-области и - у р-области), т.е. потенциальный барьер. Преодолеть этот барьер могут только те носители, энергия которых больше энергии потенциального барьера

_б = e·u_б,

где е - заряд электрона; u_б - контактная разность потенциалов.

Концентрация таких "энергичных" носителей равна

n_э= n_о exp(-e·u_б / kT),

где n_о - общая концентрация основных носителей,

k - постоянная Больцмана,

Т - температура полупроводника.

б) За счет одновременно возникающего встречного дрейфового тока неосновных носителей - обратного тока. Для них контактное поле является ускоряющим. Под действием этого поля дырки из n-области переходят в р-область, а электроны из р-области - в n-область. Контактная разность потенциалов растет до тех пор, пока не приобретет стационарное значение, обеспечивающее динамическое равновесие токов основных и неосновных носителей через р-n переход. При этом результирующий ток основных и неосновных носителей равен 0 и ток во внешней цепи отсутствует.

Ток основных и неосновных носителей заряда в фотодиоде показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 — Ток основных и неосновных носителей заряда в фотодиоде

При приложении к полупроводнику с р-n переходом внешнего напряжения равновесие токов нарушается и возникает ток во внешней цепи. Ток неосновных носителей (обратный ток) меняется незначительно (т.к. неосновных носителей мало), а ток основных носителей существенно зависит от напряжения. Причем при прямом включении - + к р-области и - к n-области высота потенциального барьера уменьшается и ток основных носителей быстро возрастает при возрастании напряжения.

При обратном включении потенциальный барьер увеличивается и ток основных носителей практически прекращается. В цепи течет ток, обусловленный только током малого числа неосновных носителей.

В фотодиодах используется обратное включение, т.е. - к р-области и + к n-области.

Зависимость темнового (обратного) тока (при отсутствии облучения) от внешнего напряжения u_д имеет вид:

I_дт = I_о[1 - exp(- e u_д/kT)],

где I_о = I_{о } exp(- / 2kТ);

I_о - условное значение обратного тока при очень большой температуре Т, когда ионизированы все атомы полупроводника.

Темновой ток фотодиода практически не зависит от используемых напряжений, т.к. при комнатной температуре Т=297К и напряжении uд = 0,2 В exp (-e u_д / kT)  3х10-4. В области насыщения I_дт = Iо.

Ширина запрещенной зоны  различна для различных материалов: для германия Ge = 0,66 эВ; для кремния Si = 1,12 эВ. Из-за большей ширины запрещенной зоны темновой ток у кремниевых фотодиодов меньше, но больше его зависимость от температуры.

При Т = 293 К  2kТ = 0,05 эВ. Тогда: