1.4. Фотодіоди.

Фотоактивним для даного напівпровідника є світло, енергія фотонів якого більша або дорівнює ширині забороненої зони. Однак, енергія фотонів світла, що поглинається, не може більш ніж удвічі перевищувати ширину забороненої зони, оскільки при цьому світло поглинається поблизу поверхні, де генеровані носії відразу рекомбінують через поверхневі стани. Тому напівпровідник з шириною забороненої зони E_g буде поглинати світло з енергією максимуму випромінювання hv з нерівності

Е_д ≤ hv ≤ 2Е_д (22).

І, навпаки, світло з енергією максимуму випромінювання hv поглинається напівпровідниками з шириною забороненої зони E_g з нерівності

≤ Е_д ≤ hv (23).

Поглинуте випромінювання зручно характеризувати квантовою інтенсивністю ф_о - кількістю фотонів, що припадають на 1 м² поверхні напівпровідника за 1 с. Тоді потужність падаючого на поверхню напівпровідника площею S випромінювання

(24).

Коли поверхня напівпровідника освітлюється (рис. 4) фотоактивним світлом з квантовою інтенсивністю фо, то в міру проникнення світла вглибину напівпровідника квантова інтенсивність світла змінюється за законом Бугера:

ф(х) = фо (1 – R)exp(-αx) ( 25 ),

де R - коефіцієнт відбивання світла, а - коефіцієнт поглинання світла, х - відстань від поверхні.

Швидкість оптичної генерації носіїв у тонкому шарі пропорційна швидкості зменшення інтенсивності світла:

(26),

де - квантовий вихід внутрішнього фотоефекту.

Розглянемо фотодіод з р-п-переходом, у якого тонка p-область товщиною d (база) і площею S освітлюється світлом квантовою інтенсивністю ф₀. Для фотодіода характерно, що світло повністю поглинається в приповерхневому шарі, тобто ефективна довжина оптичного поглинання L_onm « d та швидкість оптичної генерації в р-області

(27).

Концентрація генерованих світлом нерівноважних електронів і дірок в базі фотодіода:

(28)

(29)

де - час життя електронів і дірок відповідно.

Так як товщина області поглинання світла d стає набагато меншою дифузійних довжин носіїв, то генеровані світлом електрони практично миттєво і без втрат досягають р-п-переходу і йдуть в n-область. Дірки, досягаючи р-п-переходу, не можуть подолати потенційний бар'єр і залишаються в р-області. Тоді густина електронного фотоструму через р-п-перехід площею S (рис. 4), за відсутності помітних втрат на рекомбінацію фотоносіїв до їх поділу р-п-переходом, можна визначити як

(30),

У результаті цього п-область заряджається негативно, а р-область- позитивно. Виникає фото ЕРС U_ф, прикладена в пропускному напрямі, висота потенційного бар'єру зменшується, і в пропускному напрямі починає протікати прямий струм, створюваний потоком електронів з п-області і дірок з р-області:

(31),

де - густина струму насичення.

Тому повний потік електронів з р-області зменшується, а дірок - збільшується. Якщо фотоелемент розімкнений, то зміна потоків електронів і дірок продовжується до тих пір, поки обидва потоки не зрівняються, тобто поки повний струм через р-п-перехід не стане рівним нулю:

(32).

Створена при цьому різниця потенціалів називається напругою холостого ходу. Підставивши (ЗО) і (31) в (32), отримаємо співвідношення, що встановлює зв'язок між падаючою на фотоелемент густиною потоку фотонів ф₀ і напругою холостого ходу U_xx:

(33)

У фотодіодному режимі на р-п-перехід подається зворотне зміщення, і струм через р-п-перехід являє собою суму зворотного струму, що визначається по (31) з від'ємним значенням U, і фотоструму (30):

(34).

У фотодіодному режимі темновий струм (за відсутності освітлення) повинен бути якогома меншим, тому на p-n-перехід подається таке зворотне зміщення, при якому темновий струм практично дорівнює струму насичення, тоді:

(35) .

У показаній на рис. 4 можливій конструкції фотодіода сила струму через діод

J=jS (36),

де S - збігається з площею освітлюваної поверхні.

Рис.4. Внутрішній фотоефект

Максимальна гранична частота роботи фотодіода (частота модулюючого сигналу, при якій фотострум ще встигає спадати від свого максимального значення до нуля) визначається часом виходу носіїв заряду з бази:

(39),

а час виходу носіїв з бази тим менший, чим менша товщина бази d:

(38).

Тут враховано, що коефіцієнт дифузії носіїв заряду

,

де -рухливість носіїв заряду.

Практична частина