2.1. Принцип действия фотодиодов

Простейшая фотодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход (рис. 2.1), внутренне электрическое поле которого создает потенциальный барьер ₀  U, где U – внешнее напряжение, ₀ – контактная разность потенциалов.

Рис. 2.1

Контактная разность потенциалов определяется из выражения

,

где - тепловой потенциал;,– равновесная концентрация дырок в соответствующих областях;,– равновесная концентрация электронов в соответствующих областях.

П

Рис.2.2

ри облученииp-n перехода светом в р- и n-областях генерируются пары фотоносителей электрон-дырка. Эти фотоносители, которые в соответствующих областях являются неосновными, попадая на границу области объемного заряда (ООЗ), захватываются ее полем и перебрасываются в противоположные области. Таким образом фотоносители разделяются электрическим полем ООЗ. Как известно, при облучении полупроводника, часть фотонов отражается от его поверхности, а часть проникает в его объем и там поглощается. При этом поглощение с образованием фононов, называется тепловым, и не ведет к появлению фотоносителей.

Другой механизм поглощения излучения связан с ионизацией атомов кристаллической решетки с образованием свободных носителей заряда. При этом различают собственное поглощение и примесное поглощение (рис. 2.2).

Очевидно, что при собственном поглощении, энергия поглощаемых фотонов должна быть больше E₃

.

Таким образом, для конкретного полупроводникового граничная длина волны поглощения определяется из условия:

.

Для основных материалов используемых для создания фотодиодов граничная длина волны будет следующей. Для германия Ge (E₃ = 0,68 эВ) – _гр  1,8 мкм; для кремния Si (E₃ = 1,12 эВ) – _гр  1,1 мкм; для арсенида галлия GaAs (E₃ = 1,45 эВ) – _гр  0,85 мкм; для сернистого свинца PbS - _гр  2,7 мкм; для арсенида индия InAs - _гр  3,6 мкм. Таким образом, край собственного поглощения этих материалов лежит в ИК-области.

Т

Рис.2.3

ак как энергия ионизации примеси много меньше энергии ионизации собственного полупроводника, то граница примесного поглощения лежит в дальней инфракрасной области. Однако для обеспечения такого режима работы требуется очень сильное охлаждение полупроводника (жидкий азот).

Поглащательная способность или квантовая эффективность полупроводников характеризуется квантовым выходом _ф, который равен отношению числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенных фотонов излучения. При  > _гр квантовый выход _ф=0 (рис.2.3). В рабочем спектральном диапазоне фотоприемников квантовый выход обычно равен единице. При  = c/>2E₃ – _ф>1. Это связано с тем, что при такой энергии поглощенных фотонов, образующиеся фотоносители сами способны образовывать дополнительные носители.

Для характеристики эффективности использования фотоносителей вводится понятие коэффициента собирания фотоносителей, который определяется отношением числа протекающих через p-n переход фотоносителей к числу поглощенных фотонов.

.

Очевидно, для повышения Q необходимо ООЗ приближать к поверхности фотодиода, чтобы как можно меньше фотоносителей успело прорекомбинировать. Таким образом толщина базы фотодиода должна быть как можно меньше.