(Оба эффекта используются на практике!)

Процесс образования фотоносителей в полупроводнике: сначала, образуются дополнительные электроны и дырки при поглощении полупроводником, квантов оптических излучений. Энергия фотонов передаётся электронам в валентные зоны с переводом их из валентной зоны в зону проводимости.

Для того чтобы фотон излучения создавал пару носителей надо:

_ф1 = h*₁  _c - _v

_ф2 = h*₂  _c - _t

где _v – энергетический уровень потолка валентной зоны;

_c – дно валентной зоны;

_t – энергетический уровень примеси.

Для того чтобы собственный фотоэффект имел место быть, надо чтобы длина волны излучения, падающего на полупроводник равнялась:

_{гранич.} =  , где _гр. – длинноволновая граница фотоэффекта;

_{запр.зоны} – ширина запрещённой зоны.

Материал	Si	Ge	GaAs	CdS	CdSe
граничное	1.1	1.8	0.9	0.7	0.8

Параметры фотоэффекта: 1) Эффективность протекания фотоэлектрических процес- сов характеризуется квантовым выходом (_ф).

_ф = , где n – число пар излучения упавших на полупроводник.

В рабочем диапазоне длин волн _ф = 1

2) Глубина поглощения в полупроводнике (₀).

На практике используют показатель поглощения: 1/₀ = 1/Ф(х) * dФ/dx

Ф(х) = Ф₀ * e^-x/;

Глубина поглощения – это толщина полупроводника после прохождения, которого поток излучения уменьшается в е раз!

Параметры и характеристики фотоприёмника:

1) Чувствительность – это величина, отражающая изменение электрического состояния на выходе при подаче на вход единичного оптического сигнала.

Количественно, чувствительность определяется как отношение изменения измеряемой электрической выходной величины, вызванной падающим на фотоприёмник излучением, к количественной характеристике этого излучения! В зависимости от измеряемой величины, на выходе будем иметь токовую или вольтовою чувствительность.

S_{i Фv} = I_ф / Ф_v; S_{i Еv} = I_ф / Е_v.

2) Шумовые параметры – определяются током или напряжением шума.

Фотоприёмник имеет собственные шумы. Их составляющие:

- шум полупроводникового прибора

- фотонный шум (из-за флуктуации падающих фотонов)

Появляется шумовая составляющая, которая не позволяет регистрировать сколь угодно малые оптические входные сигналы.

Характеристики фотоприёмника:

1. ВАХ – определяет значение выходного напряжения от тока на выходе, при определённом потоке излучения: U_вых. = ( I_вых.^ср.).

2. Спектральная характеристика – определяет зависимость чувствительности фотоприёмника от длины волны падающего излучения: S = ().

_к – коротковолновая граница длин волн, определяющаяся поглощением падающего излучения в пассивных частях структуры.

_{гранич.} – определяется шириной запрещённой зоны

3. Энергетическая характеристика – определяет зависимость фототока от потока излучения (светового потока).

Фотодиод

- это фотоприёмник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте, и фоточувствительный элемент, который содержит структуру полупроводникового диода.

Упрощённая структура полупроводникового диода

Излучение воздействует в направлении перпендикулярном «p-n» переходу, в результате поглощение фотонов с энергией >, чем ширина запрещённой зоны, в n - Базе на глубине (₀) происходит генерация фотоносителей: электронов и дырок. Они диффундируют в глубь n – области. Ширина этой области (), такова, что основная часть носителей не успевает рекомбинировать и доходит до “p-n” перехода. Электрическим полем (Е₀) “p-n” перехода, электроны и дырки разделяются, при этом дырки переходят в p – область, а электроны не могут преодолеть потенциальный барьер и остаются в n – области. Следовательно, ток фотоносителей обусловлен дрейфом неосновных носителей (дырок) из n – области в p – область. Этот дрейфовый ток называют фототоком. Оставшиеся электроны, заряжают n – область отрицательно, а дырки – положительно! Возникает фото-ЭДС или разность потенциалов (Е_ф). Она снижает потенциальный барьер до некоторого значения.

Условие: Е_ф < Е₀., т.к. только при потенциальном барьере, происходит разделение фотоносителей, следовательно существует фототок!!!

Два режима работы фотодиодов:

1. Фотогальванический режим – без внешнего напряжения.

2. Фотодиодный режим – с обратным напряжением.

1. I_ф.д. = U/R = I_ф. – I_p-n = I_ф.^(ф) – I₀*(е^-U/Т – 1),

где I_ф – фототок; I_p-n – ток через «p-n» переход.

В режиме холостого хода (R = ): I_ф. = I_p-n; U_хх = _т* ln(1 + I_ф./I₀).

В режиме короткого замыкания (R = 0): I_к.з. = I_ф

2) Повышается потенциальный барьер «p-n» перехода из-за обратного напряжения!

I_p-n  I₀ (тепловой ток); I_ф.д. = I_ф + I₀  I_ф

ВАХ: I_ф.д = I_ф.^(ф) – I₀*(е^-U/Т – 1)

I_{квадрант} – нерабочая область фотодиода, т.к. приложено прямое напряжение и диффузионная составляющая подавляет прямой фототок.

III_{квадрант} – фотодиодная область.

IV_{квадрант} – фотогальванический режим.

У Si – фотодиодов: Е_ф = (0.5 0.55) [В]

Оптическая характеристика: I_ф. = q *  * _ * ,

где q – коэффициент, определяющий свойства структуры;

 - внутренний квантовый выход;

_ - коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинированных носи- телей от общего количества носителей.

Зависимость I от Ф прямолинейна, следовательно высокий КПД!!!

Спектральная характеристика: (главная характеристика)

S_ф = I_ф /Ф₀ = ,

Быстродействие фотодиода: определяется процессом разделения фотоносителей и барьерной ёмкостью. Время пролёта носителей через «p-n» переход =0.1[сек.]

Разновидности фотодиодов:

I ) «p – i – n» - структура:

Область собственной проводимости – это i область, которая находится между p и n областями. При большом обратном напряжении, электрическое поле распространяется на всю i область, которая может быть достаточно широкой. Благодаря этому, можно получить быстродействующий и фоточувствительный приёмник.

Свободные носители заряда, появившиеся в i области под воздействием света, ускоряются к переходу поля. Таким образом, увеличение быстродействия диода обусловлено дрейфом носителей заряда в сильном электрическом поле, вместо диффузии. При U_обрат. = 0.1 0.2 [В] фотодиод имеет преимущество по быстродействию.

Преимущества: 1) Сочетание высокой фоточувствительности с быстродействием.

2) Возможность обеспечения высокой чувствительности в длинно волновой части спектра, из-за увеличения i области. 3) Малая барьерная ёмкость (из-за этого высокое быстродействие 10^-1110^-12 [сек])

4) Малое рабочее напряжение ( совместимость с ИС)

Недостаток: Сложность получения чистой i области!

II ) Фотодиод Шоттки: структура(металл – полупроводник!)

Часть электронов из металла переходит в полупроводник. Появляются избыточные электроны при контактной области, вызывающие появление объёмного отрицательного заряда, что создаёт электрическое поле, препятствующее проникновению электронов из металла в полупроводник. Следовательно, обеспечивается динамическое равновесие.

В зависимости от полярности приложенного напряжения, мы можем менять высоту барьера Шоттки и управлять потоком электронов.

Особенности: 1) Простота создания выпрямляющих структур из полупроводника.

2) Сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия.

3) Малое сопротивление Базы фотодиода.

4) Простота и технологичность изготовления этих структур на основе стандартной планарной технологии.

III ) Фотодиоды с гетероструктурой:

Гетеропереход – это переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны.

Слой (GaAlAs – твёрдый раствор), играет роль фотоприёмного окна. Он пропускает излучение, поглощаемое в активной n – области. Генерируемые дырки перемещаются в p⁺. Размеры p и n областей таковы, что отсутствуют потери квантов и рекомбинационные потери [дырок] при движении в n – область.

Преимущества: 1) Гетероструктура, из-за подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны, позволяет работать (практически) в любой части оптического диапазона длин волн, т.к. длина волны определяется разницей ширины запрещённых зон.

2) Высокий КПД.

Недостаток: Сложность изготовления гетероструктуры!

IV ) Лавинные фотодиоды:

Физической основой работы, является лавинный пробой. Этот эффект используется для создания чувствительных фотодиодов. Пробой возникает тогда, когда энергия приобретённая фотоносителями, достаточна для создания других электронно-дырочных пар. В свою очередь, эта пара приобретает энергию для создания ещё одной электронно-дырочной пары, и т. д.

Коэффициент лавинного умножения: M = I_ф / I_ф0 ,

где I_ф – фототок с лавинным пробоем;

I_ф0 – фототок без лавинного пробоя.

M = ; где m = 1.5  2 (Si – p типа); m = 3.4  4 (Si – n типа).

Недостатки: для получения стабильного М, нужна высокая стабильность напряже- ния.

Например: для стабильности М в 10%, стабильность напряжения = 0.01%.