Фотодиод при освещении

При попадании кванта света с энергией hν в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

Так, например, в n‑GaAs с легирующей концентрацией доноров 10¹⁴ см^-3, концентрация основных носителей электронов составляет 10¹⁴ см^-3, а концентрация неосновных носителей – дырок – 1 см^-3. Поэтому, если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 10¹⁰ см^-3 неравновесных носителей, то проще зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

,

где p_n0 и n_p0 – концентрация неосновных носителей.

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

, (5)

Δp и Δn – неравновесная концентрация фотогенерированных неосновных носителей на расстояние L_n, L_p от области пространственного заряда в квазинейтральном объеме эмиттера и базы диода.

Обычно эмиттер фотодиода p⁺‑n делают тонким , так, чтобы поглощение света происходило в n‑базе фотодиода, тогда

. (6)

Поскольку в стационарных условиях , то , величина фототока J_Ф будет

,

где G – темп генерации неравновесных носителей. В случае слабого поглощения () число поглощенных фотонов в единичном объеме будет равно aΦ. Тогда темп генерации выразится в виде

.

Здесь h – квантовый выход, a – коэффициент поглощения,

Ф – падающий световой поток (число квантов в ед. времени на ед. площади).

Рис. 7. Вольт‑амперная характеристика фотодиода при обратном смещении

Величина фототока J_Ф здесь имеет величину

(7)

Фототок J_Ф постоянен, не зависит от полярности и величины приложенного напряжения V_G, и направлен от n‑области к p‑области полупроводника.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной области p‑n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры – диффузионная длина L_p порядка 100 мкм, а ширина обедненной области p-n перехода – 1 мкм. Поэтому основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме базы фотодиода, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики p‑n фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно‑оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне‑ и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать фотодиод на основе p-n перехода только в килогерцовом диапазоне.

2.3. p‑i‑n фотодиод

Указанные недостатки фотодиода на основе p‑n перехода устраняются в фотодиодах, где между p‑ и n‑областями расположен i‑слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой (W >> L_p) с тем, чтобы поглощение света происходило в этой области. Поскольку в i‑слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p‑n перехода все приложенное напряжение будет падать на i‑слое. Фотогенерированные носители в i‑слое будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым. На рисунке 8 приведена конструкция и энергетическая диаграмма, иллюстрирующая принцип работы p‑i‑n фотодиодов.

Рис. 8. Принцип работы p‑i‑n фотодиода:

а – поперечный разрез диода; б – зонная диаграмма в условиях обратного смещения; распределение интенсивности излучения

2.4. ВАХ фотодиода на основе p-n переходов при освещении с внешним напряжением

Уравнение для активного режима работы фотодиода при наличии V_Gпринимает вид:

. (8)

В отсутствии внешнего источника V_G, это напряжение на нагрузочном сопротивлении R включено на выход фотодиода и обусловлено фототоком при освещении фотодиода. Рассмотрим два частных случая уравнения (8).

Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи (), для случая, когда внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину V_G называют напряжением холостого хода V_ХХ. Из уравнения (8), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J_ф и тока нагрузки J_s рассчитать напряжение холостого хода V_XX:

. (9)

Напряжение V_ХХ (фото‑ЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p‑n перехода.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотодиода V_G = 0. Тогда из уравнения (8) следует, что ток короткого замыкания J_кз во внешней цепи равен фототоку J_Ф:

. (10)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J_Ф.

На рис. 9 показано семейство ВАХ фотодиода как при отрицательной, так и при положительной поляризации фотодиода, рассчитанные по уравнению (8). При положительных напряжениях V_G ток фотодиода быстро возрастает (пропускное направление) с увеличением нап­ряжения. При освещении же общий прямой ток через диод уменьшается, так как фототок направлен противоположно току от внешнего источника.

Рис. 9. Семейство вольт‑амперных характеристик фотодиода

ВАХ p‑n перехода, располагаясь во II квадранте, показывает, что фотодиод можно использовать как источник тока. На этом основан принцип работы солнечных батарей на основе p‑n переходов.