Фотодиоды на основе р-n-перехода

Упрощенная структура фотодиода на основе р-n-перехода приведена на рис. 4.13. Такой прибор по существу представляет собой обратно-смещенный р-n-переход. Важными свойствами такого перехода является наличие обедненной носителями области перехода, кон­центрирующей относительно сильное поле, и области поглощения, где поглощается падаю­щий свет (захватываются фотоны).

Обедненная область образуется неподвижными положительно заряженными атомами доноров в n-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторов в р-области. Ширина обедненной области зависит от концентрации легирующих приме­сей. Чем меньше примесей, тем шире обедненный слой. Положение и ширина поглощаю­щей области зависят от длины волны падающего света и от материала, из которого сделан диод.

Чем сильней поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Эта область может распространятъся полностью на весь диод, если свет поглощается слабо. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Так создается элек­тронно-дырочная пара. Если такая пара создается в обедненной области, то носители будут разделяться (дрейфовать) под влиянием поля в обедненной области. В результате в цепи на­грузки потечет ток.

Если электронно-дырочная пара образуется вне обедненной области, то дырка будет диффундировать в сторону обедненной области. Так как диффузия по сравне­нию с дрейфом происходит очень медленно, желательно, чтобы большая часть света погло­щалась в обедненной области. Таким образом, желательно сделать обедненную область протяженной, уменьшая концентрацию легирующей примеси в n-слое. Это требует такого слабого легирования n-слоя, что его можно считать собственным.

Семейство вольтамперных характеристик фотодиода приведено на рис. 4.14.

Ф=Ф2 Ф1

Участок I соответствует фотодиффузионной области. Здесь к р-n-переходу прикла­дывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I_p-n I_ф), что делает невозможным управление фототоком.

В области II реализуется фотогальванический режим. Здесь ток фотодиода определяется из выражения (4.17)

где - тепловой потенциал; U - напряжение на диоде; - обратный ток диода при на­сыщении.

В режиме холостого хода (R_н → ) из приведенного выражения можно определить мак­симальное значение фотоЭДС при определенном световом потоке:

(4.18)

При коротком замыкании напряжение на фотодиоде равно нулю (U=0), а ток фотодио­да создается потоком фотоносителей. У кремниевых фотодиодов значение фотоЭДС составляет 0,5... 0,55В.

В фотодиодном режиме (ему соответствует область III) используется источник обратно­го напряжения U_обр. В этом режиме потенциальный барьер возникает, и ток через переход I_p-n определяется током I₀, который протекает при отсутствии излучения. При воздействии на р- n-переход светового потока ток фотодиода

Вольтамперная характеристика нагруженного резистора представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид где U_A - напряжение на фотодиоде в рабочей точке А, соответствующей световому потоку Ф₁, указанному на рис. 4.14.

В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от сопpо­тивления нагрузки, сопротивление диода постоянному току изменяется в больших пределах при изменениях светового потока, поэтому иногда вместо термина «фотодиодный режим» используется термин «фоторезисторный режим». Сопротивление фотодиода переменному току на рассматриваемом участке велико и имеет тенденцию к уменьшению при больших значениях светового потока.

При больших значениях обратного напряжения (участок IV на рис. 4.14) наблюдается ла­винный пробой р- n-перехода. Если с помощью сопротивления нагрузки ограничить боль­шой обратный ток р-n-перехода, наблюдаемый в этом случае, то возможно реализовать фо­топриемник, использующий обратимый электрический прибор, обладающий усилением фо­тотока во много раз по сравнению с фототоком в фотодиодном режиме. Этот эффект ис­пользуется в лавинных фотодиодах (ЛФД).

Поиск по сайту: