3.2. Влияние температуры на спектральные характеристики фотодиодов

Изменение спектральных характеристик фотодиода от температуры, в основном, обусловлено температурной зависимостью коэффициента собирания. Последняя в свою очередь определяется температурными изменениями коэффициента поглощения света, ширины запрещенной зоны полупроводника, диффузионной длины неосновных носителей, изменениями ширины области объемного заряда и режимом работы прибора. С увеличением температуры ширина запрещенной зоны полупроводника уменьшается и условия образования электронно-дырочных пар фотонами с меньшей энергией облегчаются, т. е. край собственного поглощения полупроводника смещается в длинноволновую область спектра. С понижением температуры ширина запрещенной зоны увеличивается, для ее преодоления и создания пар электрон — дырка требуются фотоны с большей энергией, а следовательно, край собственного поглощения полупроводника смещается в коротковолновую область. В связи с этим спектральная характеристика фотодиода с понижением температуры смещается в сторону коротких длин волн, с повышением температуры — в длинноволновую область. Для Si изменение ширины запрещенной зоны с температурой считается линейным с наклоном — 4•10^-4 эВ/°С, для Ge зависимость ширины запрещенной зоны от температуры квадратичная.

На рисунке 8,а приведена зависимость коэффициента собирания германиевых фотодиодов от длины волны для нескольких температур, откуда видно, что с падением температуры максимум сдвигается в сторону коротких длин воли. Своеобразная форма спектральной кривой германиевых фотодиодов при низких температурах является следствием сильной температурной зависимости скорости поверхностной рекомбинации. Для кремниевых фотодиодов также наблюдается аналогичный сдвиг максимума спектральных кривых с изменением температуры, но в коротковолновой области изменение чувствительности с температурой незначительной (Рисунок 8,б).

а – зависимость коэффициента собирания германиевых фотодиодов

от длины волны; б – спектральные характеристики

кремниевого фотодиода

Рисунок 8 – Влияние температуры на параметры фотодиодов

Кроме изменения ширины запрещенной зоны полупроводника с температурой наблюдается также изменение коэффициента поглощения света и соответственно изменение глубины проникновения света в полупроводник. С понижением температуры коэффициент поглощения света уменьшается, что увеличивает глубину проникновения фотонов излучения в полупроводник. С повышением температуры глубина проникновения света уменьшается. В связи с этим в зависимости от температуры поглощение света происходит в различных областях фотодиода и кривая изменения коэффициента собирания, а соответственно и спектральная характеристика при изменении температуры имеют различный характер. Если при комнатной температуре поглощение коротковолнового излучения происходит в базе фотодиода ближе к поверхности, то с понижением температуры поглощение будет происходить либо в базе ближе к р-n переходу, либо в области объемного заряда перехода; при этом создаваемые светом электронно-дырочные пары будут разделяться р-n переходом, не успевая рекомбинировать. Соответственно с уменьшением потерь на объемную и поверхностную рекомбинацию чувствительность к коротковолновой области спектра с понижением температуры увеличивается. Особенно сильно подобное изменение чувствительности проявляется для фотодиода с тонкой базой, с увеличением же толщины базы этот эффект выражен более слабо. С повышением температуры чувствительность в коротковолновой области спектра уменьшается, так как увеличивается число фотонов, поглощаемых вблизи поверхности, и соответственно увеличиваются потери на рекомбинацию. Длинноволновое излучение при низких температурах проникает глубже в полупроводник. При этом создаваемые фотонами света электроны и дырки, рекомбинируя друг с другом, погибают, не успевая дойти до р-n перехода, в результате чего чувствительность уменьшается.

С повышением температуры чувствительность в длинноволновой области спектра увеличивается, так как увеличивается число фотонов, поглощаемых вблизи р-n перехода.

На рисунке 9 приведена экспериментальная зависимость чувствительности кремниевого фотодиода от температуры для двух длин волн излучения: 1 — для длины волны λ=0,85 мкм, соответствующей максимуму спектральной кривой, и 2 — для длины волны λ=0,95 мкм. Температурная зависимость чувствительности имеет линейный характер, причем для длинноволнового излучения наблюдается более резкая зависимость от температуры. Такое отличие в изменении чувствительности для двух длин волн можно объяснить различным характером поглощения света. Для длины волны λ=0,85 мкм поглощение происходит, в основном, в области объемного заряда, где отсутствует рекомбинация носителей, а для λ=0,95 мкм свет поглощается за областью р-n перехода (в коллекторе), где имеет место рекомбинация носителей.

1 – для λ=0,85 мкм; 2 – для λ=0,95 мкм

Рисунок 9 – Экспериментальная зависимость чувствительности

в относительных единицах кремниевого фотодиода от температуры

для двух длин волн излучения

Спектральные характеристики фотодиода с глубокими энергетическими уровнями изменяются с температурой в зависимости от режима работы фотоприемника (ФП). При низких температурах (-100 °С) толщина области объемного заряда довольно большая (примерно 300 мкм). При работе ФП в фотовольтаическом режиме поле в этой области настолько мало, что время пролета носителей в ней соизмеримо, а иногда и больше времени жизни неосновных носителей. В результате большая часть создаваемых светом носителей рекомбинирует друг с другом, не влияя на величину фототока. Спектральная чувствительность в этом случае значительно меньше, чем у обычных кремниевых ФП (рисунок 10, кривая 4). В фотодиодном режиме работы поле в области объемного заряда сильно возрастает, создаваемые светом носители двигаются под действием поля, не успевая рекомбинировать, и чувствительность ФП увеличивается в несколько раз (рисунок 10, кривая 3). Для такого ФП с широкой областью объемного заряда снижение чувствительности в длинноволновой области спектра вызвано уменьшением коэффициента поглощения света в кремнии. Максимум спектральных кривых ФП в этом случае смещается с изменением температуры незначительно.

1 – при U=0 В, T=+20 °С; 2 – при U=50 В, T=+20 °С;

3 – при U=50 В, T=-100 °С; 4 – при U=0 В, T=-100 °С

Рисунок 10 – Спектральные характеристики ФП с

глубокими уровнями при различных температурах

Заключение: в ходе выполнения данного отчета были изучены характеристики и параметры светодиодов и фотодиодов.