2.3. Фотодиоды

Принцип действия фото­диодов. Фотодиодами (ФД) называют полупроводнико­вые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, ис­пользующие одностороннюю проводимость (р — n — перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогаль­ванический режим) или при наличии питания изменяется обратный ток (фотодиодный режим). ФД изготавливают на основе гомоперехода (р — n — переход, образован­ный на границе двух обла­стей одинакового материала, но с примесями противоположного типа), гетеропере­хода (р — n — переход, образо­ванный на границе двух об­ластей разного материала с примесями противоположно­го типа), барьера Шоттки (контактный барьер, обра­зующийся на границе металл и n — полупроводник или ме­талл и р —полупроводник и различных МДП - структур) [67].

Односторонняя проводи­мость (вентильный фотоэф­фект) возникает при освеще­нии одной или обеих обла­стей р — n — перехода. Рассмот­рим режимы работы ФД. При работе ФД в фотогаль­ваническом режиме в осве­щенной n — области образуют­ся новые носители заряда — электроны и дырки (2.10, а). Они диффундируют к р — n — переходу, где неосновные носители — дырки — переходят в р — область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное поле р — n — перехода будет запирающим, остаются n — области.

При постоянном освещении в p — области накапливаются дырки, а n — области — электроны. Это приводит к появлению фото - ЭДС, поле которой направленно против поля диффузии в р — n — переходе. Фото - ЭДС, понижая одностороннюю проводимость р — n — перехода, увеличивает прямой ток основ­ные носителей.

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещеиии прямой ток увеличивается до тех пор, пока токи основных и неоснонпых носителей не уравновесятся, при этом между электродами р — n — перехода устанавливается некоторая разность потенциалов холостого хода , возникающая под действием освещения.

При подключении к контактам ФД нагрузки (рис. 2.10, а) и отсутствии освещения через р — n — переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей I_s, называемый темновым током. Освещение вызывает дополнительный фототок неосновных носителей

.

Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме

, (2.22)

где = — падение напряжения на нагрузке от протекающего в цепи тока; е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характеристики фотогальванического режима.

Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосредственно пре­образует энергию света в электрическую энергию (при освещенности 8000 лк фото-ЭДС составляет около 0,1 В). В фотодиодном режиме к ФД при­кладывают обратное напряжение (рис. 2.10, б), и при отсутствии освещения через р — n — переход и сопротивление нагрузки потечет обратный дырочный ток термически генерированных неосновных носителей , называемый тем­новым током. При освещении же n — области через р — n — переход и сопротив­ление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неоснов­ных носителей . Суммарный ток в цепи складывается из темнового тока и фототока неосновных носителей.

Ток основных носителей в диодном режиме будет пренебрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение источника питания, склады­ваясь с напряжением поля диффузии р — n — перехода, препятствует току основных носителей.

Выражение для вольт - амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид:

, (2.23)

где V — напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим схемы включения, вольт - амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

Диодный режим работы ФД. Схема включения фотодиода в диодном режиме приведена на рис. 2.10, б, а экспериментально полученные вольт - амперные характеристики — на рис. 2.11, а, о. Теоретически вольт - амперные характеристики рассчитывают по формуле (2.23) [17, 18]. При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых α, так как . При этом падения напряжений на нагрузке и ФД будут:

; .

Ток внешней цепи при приложении напряжения питания в запирающем нлпряжении

.

Фототок через токовую чувствительность ФД и падающий поток излу­чении Ф

.

Рис. 2.10. Схема генерирования и разделения пар носителей заряда при освещении р — n — перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную нагрузки:

фотодиодный (б, г) и фотогальванический (в, д)

Рис. 2.11. Вольт - амперные характеристики ФД-1 (а), ветвь вольт - амперной характери­стики фотодиодного режима (б), фотогальванического (в) и при работе на разные нагрузки по постоянному и переменному току (г)

Из приведенных выражений

.

Продифференцировав это выражение, полечим интегральную вольтовую чувствительность ФД

.

Следовательно, для повышения вольтовой чувствительности необходимо увеличивать сопротивление нагрузки . Значение связано с макси­мальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следую­щим соотношением:

. (2.24)

При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт - амперной характе­ристикой, соответствующей максимальному потоку излучения , должна лежать в области диодного режима. С учетом выражения (2.24)

.

Из выражения (2.25) получим две приближенные формулы для при и , удобные для практических расчетов:

;

.

В случае максимальная вольтовая чувствительность не зависит от параметров ФД, а если , она тем больше, чем меньше значение тем нового тока . При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоновой засветки целесообразно, чтобы вольтовая чувствительность по постоянному току (от фона) была минимальна, а по переменному току (от объекта) — максимальна. Для этого используют трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктивное сопро­тивление) и малое по постоянному (активное сопротивление) (рис. 2.10, г). Вольт - амперные характеристики для данного случая приведены на рис. 2.11, г [72].

По постоянному току сопротивление нагрузки должно быть малым, в иде­але режим короткого замыкания (; ; ). По пере­менному току сопротивление должно быть большим, в идеале — режим холостого хода (; ; ). При работе с разными нагруз­ками по постоянному и переменному токам определяет вольтовую чувстви­тельность, а — режим работы. При

.

Сопротивление нагрузки по постоянному току желательно делать намного меньше , вычисленного по формуле (2.24).

Пример. Определить максимальную вольтовую чувствительность по переменному току фотодиода ФД-1 при постоянном фототоке фона 0,001 А, который соответствует потоку излучения от фона = 0,03 лм (освещенность на фоточувствительной площадке 6000 лк). Темновой ток фотодиода при = 15 В = 15 мкА. (При пересчете потока фона из лм в Вт с учетом спектральных характеристик имеем: 0,03 лм = 0,0015 Вт.)

1. Находим

Ом.

должно быть выбрано много меньше вычисленного для осуществления минимальной вольтовой чувствительности по постоянному току ().

2. Определяем максимально допустимое значение нагрузки по переменному току

Ом.

3. Расчитываем максимальную вольтовую чувствительность по переменному току при Ом: В/лм;

В/Вт.

Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальваническом режиме работы ФД (рис. 2.11, в) напряжение на р — n — переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно формуле (2.22).

Если , то ток во внешней цепи , а вместо в (2.22) можно подставить значение — напряжение холостого хода:

.

После преобразований найдем напряжение холостого хода

. (2.26)

Напряжение холостого хода (фото - ЭДС) ФД в фотогальваническом ре­жиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р — n — перехода. Зависимость — сложная и нелинейная, но диапа­зон изменения сигнала велик. Линейность наблюдают только на начальном участке при . Для получения максимальной вольтовой чувствитель­ности продифференцируем уравнение (2.26):

,

где — темновой ток насыщения при Ф = 0, = ; — сопро­тивление р — n — перехода при нулевом напряжении.

Для комнатной температуры (в В/Вт)

.

Из этого выражения можно получить приближенные формулы для и соответственно, удобные для практических расчетов:

;

.

Отсюда следует, что вольтовая чувствительность в фотогальваническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД. Если известен максимальный фототок , то максимальное сопро­тивление нагрузки по постоянному току для линейной системы

. (2.27)

Следует иметь в виду, что оптимизировать нагрузку на весь диапазон работы ФД не удается, так как сопротивление р — n — перехода меняется от освещенности, и вольтовая чувствительность при этом условии

,

где — полное сопротивление нагрузки.

Если , то , т. e. не зависит от потока излу­чения. Если условие вычисления по формуле (2.27) не выполняется, то вольтовую чувствительность определяют по формуле:

,

где — ток нагрузки при постоянной засветке.

Пример. Определить интегральную вольтовую чувствительность для германиевого фото­диода ФД-1 при температуре 20 °С и постоянной засветке 6000 лк, фототок засветки равен 0,001 А, = 20 мА/лм.

Находим :

Ом.

Рассчитываем максимальный световой поток, падающий на фотодиод,

лм.

Определяем интегральную вольтовую чувствительность фотодиода в фотогальваническом режиме при условии :

мВ/лм.

Максимальная вольтовая чувствительность в фотодиодном режиме выше, чем в фотогальваническом. Определим отношение максимальных вольтовых чувствительностей в диодном и фото­гальваническом режимах в случае и :

;

.

Для комнатной температуры и напряжения питания фотодиода в диодном режиме 15 В отношение вольтовых чувствительностей n = 15/0,025 = 600.

Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, т. е. большую обнаружительную способ­ность. ФД в фотогальваническом режиме обладают малым внутренним сопро­тивлением.

ФД в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопро­тивлением и находят применение в цепях с большим сопротивлением нагрузки.

Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, у которого при больших коэффициентах усиления должен быть малый уровень шумов.

Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоянная вре­мени ФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до р — n — пере­хода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации (RC - цепочка ФД). Постоянная времени RC - цепочки у обычных ФД не пре­вышает 10^-9 с, поэтому при глубине залегания р — n — перехода (толщине базы) в несколько мкм время переноса неосновных носителей составляет 10^-7 — 10^-8с, что и определяет . Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неосновных носителей, образующих фототок. При равномерном распределении примесей в р - и п - областях, когда «тянущее» поле р — n — перехода мало, преобладающим механизмом переноса носителей тока является диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоянная вре­мени и большая граничная частота получаются при освещении p - полупровод­ника, так как коэффициент диффузии электронов (неосновных носителей, образующих фототок) значительно больше коэффициента диффузии дырок , а следовательно, время диффузии электронов соответственно короче.

Для германиевых ФД граничная частота (в МГц):

; ,

где — толщина базы из n - полупроводника, мкм; — толщина базы из р -полупроводника, мкм.

Для кремния:

; .

При наличии значительных примесей в р - или n - областях (область с более высокой концентрацией примеси обозначают плюсом над буквой примеси: р⁺ — п или р — п⁺ постоянная времени и граничная частота определяются механизмом переноса носителей тока за счет диффузии в элек­трическом («тянущем») поле р — n — перехода, которое уменьшает на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации () также уменьшается.

В диодном режиме при наличии обратного внешнего напряжения пита­ния наблюдается дрейф носителей тока в сильном электрическом поле, который ускоряет носители и значительно уменьшает постоянную времени ФД. На рис. 2.12 приведены экспериментальные частотные характеристики кремниевого ФД, у которого в фотогальваническом режиме граничная частота составляет 1 — 2 мГц, а в фотодиодном режиме при = 150 В доходит до 200 МГц [11].

Рис. 2.12. Экспериментальные частотные характеристики кремниевых фотодиодов: а, б — р — n — структура (а — на основе кремния р — типа, б — на основе кремния n — типа); в — р — i — n — структура

——— — мкм; — — — — мкм

Форма частотной характеристики и зависят от параметров самого ФД, от приложенного обратного напряжения питания, от спектрального состава падающего на ФД излучения (меняется глубина проникновения излучения), от формы модуляции излучения и т. д.

Постоянная времени обычных ФД на основе Ge составляет 10^-5 с, на основе Si — 10^-6 с при напряжении питания порядка 20 В. Для умень­шения постоянной времени используют р — i — n — структуры с сильным , уменьшают толщину базы и т. д.

Частотная характеристика ФД может быть скорректирована в электрон­ном тракте, как об этом говорилось выше.

Фототок и спектральная чувствительность ФД. Фототок ФД образуется избыточными, генерированными при освещении неосновными носителями, дошедшими до р — n — перехода. Его значение входит в общее выражение для вольт - амперных характеристик ФД, поэтому в фотогальваническом режиме [4]

,

— плотность фототока, А/см²; — спектральная плотность энергетической освещенности в квантах, квант/(см² с); — спектральный коэффициент поглощения, отн. ед.; — квантовый выход полупроводника, 1/квант; — доля нерекомбинированных носителей заряда, дошедших до р — n — перехода (коэффициент собирания), отн. ед.; — заряд электронов, А с.

Так как

; ,

то

, (2.28)

где — площадь фоточувствительной площадки, см²; — спектраль­ный коэффициент отражения, отн. ед.

Из выражения (2.28) можно получить абсолютную спектральную харак­теристику чувствительности фотодиода (6 А/Вт):

.

Как видно из этого, спектральная чувствительность ФД определяется в основном свойствами полупроводника, из которого он изготовлен.

Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р — n — перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Для повышения спектральной чувствительности в длинноволновой области увеличивают диффузионную длину носителей, а для повышения спектраль­ной чувствительности в коротковолновой области необходимо создать боль­шие тянущие электрические поля в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись тянущим полем и не успевали рекомбинировать, как это происходит в поверхностно - барьерных ФД.

Спектральная чувствительность ФД меняется при переходе от фотогаль­ванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент соби­рания носителей (рис. 2.13, а). Значительное влияние на спектральную чувствительность ФД оказывает температура фоточувствительного слоя.

Рис. 2.13. Изменение спектральной чувствительности кремниевого ФД при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному (а) и влияния на нее температуры (б)

Повышение температуры уменьшает ширину запрещенной зоны (для Si —10 эВ/гр и зависимость линейная, для Ge — квадратичная) и увеличивает коэффициент собирания носителей, что сметает границу спектральной чувствительности ФД в ИК - область (рис. 2.13, б) и, наоборот, понижение температуры уменьшает диффузионную длину неосновных носи­телей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувствительность в коротковолновую область.

Совокупный эффект этих механизмов для Si показывает рис. 2.13, б, из которого видно, что абсолютная спектраль­ная характеристика ФД на основе Si с понижением температуры понижается с одновременным смещением максимума в коротковолновую область.

На рис. 2.14 приведены спектральные характеристики неохлаждаемых ФД на основе InAs, GaAs, Si, Ge и охлаждаемого ФД на основе InSb. Инте­гральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3 — 20 мА/лм, германиевых — в пределах 15 — 25 мА/лм.

Рис. 2.14. Спектральные характеристики охлаждаемых ФД из InSb (а), неохлаждаемых из InAs (б), GaAs; Si и Ge (в)

Энергетическая характеристика, шумы и обнаружительная способность ФД. Энергетическая характеристика ФД в диодном режиме линейна в широ­ких пределах. В фотогальваническом — нелинейна, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность энергетической характеристики в фотогальвани­ческом режиме наблюдается только при условии .

Значение потока излучения, для которого сохраняется линейность энер­гетической характеристики в фотогальваническом режиме [18],

при ,

где — постоянный коэффициент, зависящий от материала ФД(для Ge ).

Так как сопротивление р — n — перехода меняется в зависимости от , невозможно подобрать оптимальное для всех случаев сопротивление нагрузки . Для случая с погрешностью 3 — 4% можно считать оптимальным сопротивление нагрузки

.

При работе ФД в диодном режиме с немодулированными потоками излуче­ния основным фактором, ограничивающим его обнаружительную способность, является обратный темновой ток источника питания, значение которого при комнатной температуре для разных типов ФД колеблется от единиц до десятков микроампер. Темновой ток германиевых ФД при изменении темпе­ратуры от 20 до 50°С меняется в три - пять раз (рис. 2.15, а), изменяется от влажности и давления, что не наблюдается у кремниевых ФД. Кроме того, достоинством кремниевых ФД является также возможность их работы с обратными напряжениями в сотни вольт, что недопустимо для германие­вых ФД.

43