Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

– без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);

– с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис.8.7.

Рис 8.7. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме

При отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – I_др и I_диф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода U_хх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии DI_диф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

. (8.5)

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

При подключении нагрузки к освещенному фотодиоду (ключ замкнут), в электрической цепи появится ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Значение тока зависит от фото-ЭДС и сопротивления нагрузки, максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при сопротивлении резистора, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода уменьшается.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

, (8.6)

где I_ф – фототок;

I₀ – тепловой ток p–n перехода;

U – напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи (R_н=¥, I_{ф общ}=0) легко выразить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:

. (8.7)

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении (рис. 5.12).

 

Рис.8.8. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I_о, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

При правильно подобранном сопротивлении нагрузки R_н и напряжении источника питания этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

Характеристики и параметры фотодиода

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 8.9, 8.10.

Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 8.9,а). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.

 

Рис 8.9. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме

В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV в фотовентильном режиме, и фотоэлемент становится источником электрической энергии. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p–n переход смещен в прямом направлении.

Энергетическая характеристика фотодиода связывает фототок со световым потоком, падающим на фотодиод рис. 8.9,б. При работе фотодиода в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависит от материала фотодиода и количества примесей (рис. 8.10,а).

Рис 8.10. Спектральная (а) и частотная характеристика фотодиода

Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра излучения.

Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 8.1,б). Быстродействие фотодиода характеризуется граничной 0частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

Для повышения чувствительности и быстродействия разработаны следующие фотодиоды: со встроенным электрическим полем; фотодиоды с p–i–n структурой; с барьером Шотки; лавинные фотодиоды.

Фотодиоды со встроенным электрическим полем имеют неравномерно легированную базу, за счет чего возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда.

Фотодиоды с p–i–n структурой имеют большую толщину области, обедненной основными носителями, i–область имеет удельное сопротивление в 10⁶…10⁷ раз больше, чем сопротивление легированных областей n– и p–типов. К переходу можно прикладывать большие обратные напряжения, и однородное электрическое поле устанавливается по всей i–области. Падающее световое излучение поглощается i–областью, имеющей сильное электрическое поле, что способствует быстрому дрейфу носителей в соответствующие области.

У фотодиодов с барьером Шотки за счет минимального сопротивления базы и отсутствия процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов достигается высокое быстродействие. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n переходе, и за счет этого резко возрастает чувствительность, их быстродействие составляет f_гр = 10¹¹…10¹² Гц. Эти диоды считаются одними из перспективных элементов оптоэлектроники.

Параметры фотодиодов следующие:

1. Темновой ток I_Т – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10…20 мкА для германиевых и 1…2 мкА для кремниевых диодов).

2. Рабочее напряжение U_p – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме (U_p=10…30 В).

3. Интегральная чувствительность S_инт показывает, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока:

. (8.8)

4. Граничная частота f_гр – частота, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз (10⁷…10¹² Гц).