Фотодиод

Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Основными характеристиками и параметрами фотодиода являются.

^ Вольт-амперная характеристика. В зависимости от режима работы вольт-амперная характеристика фотодиода описывается выражениями (30), (31). Эти уравнения представляют собой зависимость тока от напряжения на фотодиоде при разных значениях светового потока, т. е. является уравнением семейства ВАХ фотодиода, представленные на рисунке 9.

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV, рисунок 9. Квадрант I – это не рабочая область для фотодиода: в этом квадранте к р-п -переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок. В результате управление током через фотодиод посредством электромагнитного излучения становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотоэлемента. К р-п -переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки.

Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном значении светового потока фотодиод является источником тока.

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить значения фотоЭДС (напряжения холостого хода) при разных световых потоках . У кремниевых диодов значение фотоЭДС равно 0,50–0,55 В. Точка пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в будет передаваться наибольшая электрическая мощность. Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде (нагрузке) V=0,35–0,4 В.

^ Энергетическая (световая) характеристика. Представляет собой зависимость тока, протекающего через фотодиод от светового потока , падающего на поверхность фотодиода.

Данная зависимость является линейной потому, что толщина базы фотодиода меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Следовательно, практически все оптически генерируемые неосновные носители заряда в базе диода доходят до р-п -перехода, участвуя в образовании фототока. Потери неосновных носителей заряда на рекомбинацию в базе и на ее поверхности практически не зависят от светового потока из-за низкой концентрации неконтролируемых примесей, выполняющих роль ловушек для рекомбинации и захвата.

Из-за линейности световой характеристики фотодиода его интегральная чувствительность не зависит от приложенного обратного напряжения. Поэтому основной характеристикой фотодиода является интегральная чувствительность:

. (43)

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания, либо фотоЭДС от светового потока излучения. При больших потоках закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного. Появление нелинейности зависимости тока короткого замыкания от связано, с увеличением падения напряжения на объемном сопротивлении базы фотодиода . Снижение фотоЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в п -области и дырок в р -области; как следствие этого процесса, поле п-р -перехода слабее разделяет фотоносители и рост фотоЭДС при увеличении светового потока замедляется.

^ Спектральная характеристика. Представляет собой зависимость чувствительности фотодиода, определяемую уравнением (43), от длины волны излучения.

Реальная спектральная характеристика отличается от теоретической. Снижение чувствительности в области коротких волн связано с тем, что при уменьшении длины волны излучения кванты света поглощаются в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации за счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Таким образом, коротковолновая граница чувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая толщину базы и скорость рекомбинации можно сдвигать коротковолновую границу чувствительности фотодиода в сторону уменьшения длины волны. Спад чувствительности в области длинных волн соответствует длинноволновой границе спектральной чувствительности материала.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от спектральной характеристики коэффициента поглощения материала, на основе которого изготовлен фотодиод. Если коэффициент поглощения резко падает с уменьшением длины волны электромагнитного излучения, как, например, в германии, то положение максимума определяется шириной запрещенной зоны ( для Ge) и от толщины базы практически не зависит. Если же зависимость коэффициента поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то максимум спектральной характеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Так, максимум спектральной характеристики кремниевого фотодиода можно изменять в диапазоне от 0,6 до 1 мкм.

^ Быстродействие фотодиода. Быстродействие фотодиода определяется, с одной стороны, процессами разделения носителей заряда, возникающих при поглощении излучения, полем р-п- перехода, с другой стороны — емкостью р-п -перехода. Разделение фотоносителей полем р-п -перехода происходит после того, как соответствующий фотоноситель (дырка или электрон) из места генерации продиффундирует к р-п - переходу. Время пролета носителей заряда через р-п-переход:

, (44)

где – ширина р-п- перехода; – максимальная скорость дрейфа носителей заряда.

В германии и кремнии , а ширина р-п -перехода, которая зависит от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм. Следовательно, время пролета носителей заряда через р-п -переход нс.

Длительность перезаряда барьерной емкости фотодиода при малом сопротивлении нагрузки определяется постоянной времени . Значение постоянной времени для обычных фотодиодов составляет около 1 нс.

Как показывают расчеты, быстродействие фотодиодов определяется в основном длительностью диффузии фотоносителей к р-п -переходу.

В фотодиодном режиме нарастание тока через р-п -переход описывается уравнением:

, (45)

где – стационарное значение фототока; – время пролета неосновных носителей заряда в п -базе.

При выключении электромагнитного излучения процесс исчезновения неосновных носителей заряда определяется их уходом через р-п -переход, при этом ток через фотодиод спадает по закону

. (46)

В фотодиодном режиме параметр определяет время диффузии носителей заряда от зоны их генерации до р-п- перехода. Для фотодиодов на основе кремния время пролета неосновных носителей заряда приблизительно составляет 100 нс.

Рассмотрим переходные процессы в фотогальваническом режиме для определения характера изменения фотоЭДС при разомкнутой внешней цепи.

Пусть в момент времени на фотодиод подается световой импульс прямоугольной формы. В п -области р-п -перехода начинается генерация неравновесных носителей заряда, концентрация которых будет увеличиваться во времени. Следовательно, будет расти дырочный ток через п-р -переход и р -область фотодиода зарядится положительно по отношению к п -области. С ростом концентрации избыточных носителей заряда увеличивается скорость их рекомбинации. При некотором значении концентрации носителей заряда процессы рекомбинация и генерация уравновешивают друг друга, а фотоЭДС достигнет стационарного значения. После окончания светового импульса избыточные носители в п-области рекомбинируют, при этом уменьшаются их концентрация, ток, протекающий через п-р -переход, и фотоЭДС. Таким образом, процесс изменения фотоЭДС и фототока в фотогальваническом режиме определяется генерацией и рекомбинацией (накоплением и рассасыванием) избыточных носителей заряда, скорость которых характеризуется постоянной времени жизни , т. е. нарастание и спад фототока через р-п -переход описывается уравнениями вида (45) и (46).