7.3 Фотодиоды с обычным p-nпереходом

В фотодиодах (ФД) используется один из видов внутреннего фотоэффекта, называемый фотовольтаическим эффектом. Он проявляется в неоднородных ПП с p-n переходом или другим видом потенциального барьера.

Один из вариантов конструкции ФД показан на рис.7.2,а. Один из электродов делается полупрозрачным или с отверстием для прохождения светового потока. Основным светочувствительным элементом является область d₀ вблизи p-n перехода. В качестве материалов используются Ge и Si.

В равновесном состоянии (до воздействия света) в области d₀ присутствует контактное поле, образовавшееся в результате переноса некоторого количества электронов в p-область и дырок в n-область. Это поле препятствует попаданию в область d₀ электронов и дырок, поэтому область становится обеднённой носителями. Энергетическая характеристика в этом случае не отличается от любого p-n перехода (например светодиода или лазерного диода) – рис. 7.2,б. При освещении p-n перехода светом с энергией большей, чем Е=Е_с-Е_v , по обе стороны перехода и в самом переходе возникают пары электрон-дырка, которые движутся (диффундируют) к p-n переходу. Для основных носителей (дырок в p-области и электронов в n-области) поле перехода является ускоряющим, а для неосновных - тормозящим (рис.7.2,в). Поэтому основные носители собираются в своих областях (электроны в n-области и дырки в p-области). Иначе говоря, создаются объёмные заряды, в результате чего и возникает разность потенциалов– фото ЭДС, а во внешней цепи – фототок. Вклад в фото ЭДС дают лишь те носители, которые генерируются вблизи области объёмного заряда на расстояниях меньших L_n и L_p. Эти расстояния, которые носители успевают пройти за своё время жизни , называются диффузионными длинами. В противном случае они не успевают дойти до p-n перехода и рекомбинируют. Такого рода потери неосновных носителей характеризуются коэффициентом собирания К_соб.

С увеличением светового потока фото ЭДС растёт нелинейно, так как она смещает p-n переход в прямом направлении и снижает высоту барьера для электронов и дырок. Это облегчает переход быстрых электронов в p-область и поэтому рост U_Ф с увеличением Ф постепенно замедляется.

Режим работы ФД, при котором он непосредственно подключается к нагрузке без источника смещения, называется вентильным (фотогальваническим, фотогенераторным). В этом случае напряжение холостого хода (фото ЭДС)

(7.4)

где вентильный темновой ток неосновных носителей;k-постоянная Больцмана; е- заряд электрона; Т- абсолютная температура; I_ф=S_IФ.

Рис.7.2. Конструкция ФД и его энергетические диаграммы

Если к р-п переходу приложить обратное (запирающее) напряжение, то оно препятствует движению основных носителей и возникает фототок, образованный неосновными носителями. Такой режим работы ФД называется фотодиодным.

В общем случае выражение вольт-амперной характеристики (ВАХ) ФД имеет вид

, (7.5)

где u_R=IR_н- падение напряжения на нагрузке; u_П- напряжение источника питания; I_T- фотодиодный темновой ток. ВАХ ФД показана на рис.7.3. Рабочими являются третий и четвёртый квадранты ВАХ.

Третий квадрант показывает фотодиодный режим. Схемы включения ФД показаны на рис.7.4.а, б. Поскольку I_Ф=S_IФ и S_u=S_IR_н, то u_Ф=S_uФ=S_IR_нФ, т.е. напряжение пропорционально R_н, а I_Ф от R_н и u_П не зависит. От u_П и R_н зависит динамический диапазон воспринимаемых освещённостей. Это показывает и нагрузочная прямая, соответствующая определённому R_н.

Так как I_T<<I_Ф и полный ток I=I_T+I_ФI_Ф, то наблюдается линейная зависимость фототоков от освещённости, что является основным достоинством фотодиодного режима. Для повышения вольтовой чувствительности S_u и динамического диапазона необходимо увеличивать u_П и R_н, но R_нмакс=u_П/(I_Фмакс+I_T) ограничено возможностью пробоя. Для устранения влияния постоянной фоновой засветки при модулированном световом потоке вместо R_н ставится дроссель L (рис.7.4,в) или используется трансформатор (рис.7.4,г). В этом случае для фона Z_н мало, а для сигнала - велико. Недостатками фотодиодного режима являются необходимость источника U_П и повышенный уровень шума.

Четвёртый квадрант ВАХ показывает вентильный режим, схемы включения показаны на рис.7.5 и аналогичны рис.7.4. На рис.7.3 показана нагрузочная прямая, а площадь заштрихованного прямоугольника равна мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. .

Рис. 7.3. ВАХ ФД

Оптимальным режимом, например, солнечных батарей, в которых используется вентильный режим, является R_н, обеспечивающее максимальную Р_н при определённой освещённости. Отсюда следует, что оптимизация R_н во всём диапазоне освещённостей невозможна. Вольтовая чувствительность уменьшается с ростом освещённостей и при известном максимальное сопротивление нагрузки (- токовая чувствительность в вентильном режиме).

Рис.7.4. Схемы включения ФД в фотодиодном режиме

Рис. 7.5. Схемы подключения ФД в вентильном режиме

(7.6)

Достоинствами вентильного режима являются отсутствие источника питания и меньший уровень шумов. Недостатками являются меньшая чувствительность и большая нелинейность фототока . Поэтому вентильный режим может применяться только для импульсных сигналов.

Достоинства ФД по сравнению с ФР:

• большие значения темнового сопротивления;

• повышенные быстродействие (за счёт большой скорости дрейфа носителей в области р-п перехода с сильным электрическим полем) и чувствительность (за счёт увеличения коэффициента собирания);

• меньше пороговая чувствительность из-за использования больших R_н (малых обратных токов);

• меньшая температурная зависимость параметров.

Однако, ФД с обычным переходом имеют сравнительно малый К_соб<1 и ограниченное быстродействие.