Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды

Выше мы рассматривали фотоэлектрические явления в однородном полупроводнике и, прежде чем перейти к данной теме, рекомендуем вспомнить основные положения п. 6.3.

При освещении p-n-перехода электрически активным светом, способным вызвать генерацию неравновесных носителей, на концах разомкнутого перехода возникает ЭДС, называемая фотоЭДС. Если p-n-переход включить в замкнутую цепь, то в ней потечет ток I_ф, называемый первичным фототоком. Этот эффект называется фотогальваническим эффектом, или вентильным фотоэффектом.

Рассмотрим физическую природу этого эффекта. На рис. 7.13 показан равновесный p-n-переход, p-область которого облучается световым потоком Ф интенсивности I ₀, вызывающим генерацию в этой области электроно-дырочных пар. Скорость генерации определяется из выражения (6.43)

,

где α – коэффицент отражения поверхности,

β – квантовый выход.

Электрически активный свет поглощается уже в тонком слое вблизи поверхности, от которой носители диффундируют в глубь полупроводника. Если p-n-переход расположен на глубине l_p < L_Ф, то значительная доля носителей окажется в области электрического контактного поля перехода. Это поле разделяет носители по знаку заряда и направляет электроны в n-область, а дырки в p-область перехода (рис. 7.13, б). Между p- и n-областями возникает фотоЭДС.

	L

I 0

lp

а) б)

Рис. 7.13. p-n-переход: а – образование фотоЭДС; б – зонная диаграмма

В переходе потечет первичный фототок I_ф, а навстречу ему тепловой дрейфовый ток I_s. Поскольку существует динамическое равновесие токов с учетом (7.38), можно записать выражение

. (7.87)

Поскольку , выражение (7.87) примет вид

(7.88)

или

, (7.89)

где β – коэффициент собирания, равный относительной доле носителей, дошедших до перехода без рекомбинации.

Если включить такой p-n переход в обратном направлении в цепь, содержащую источник тока, то в нем потечет обратный ток j_обр, противоположный j_ф (рис. 7.14, а). Такой режим работы называют фотодиодным.

Суммарный ток через переход будет равен

(7.90)

Уравнение (7.90) называют общим уравнением фотодиода.

¯

+

б)

јФ

јR

јкз

Uхх

јФ

Uн

Uвн

а)

R

Рис. 7.14. Фотодиод: а – схема включения; б – ВАХ

Из последнего соотношения видно, что ВАХ облучаемого p-n перехода (фотодиода) смещается вниз по оси ординат пропорционально интенсивности света (рис. 7.14, б).

Если p-n переход разомкнут, то величина фотоЭДС может быть определена из (7.90); если считать j =0, тогда фотоЭДС в режиме холостого хода будет равна

. (7.91)

В случае если p-n переход закорочен, то при умеренных токах можно полагать, что падение напряжения на переходе равно нулю. Тогда ток короткого замыкания равен фототоку j_кз = j_ф (рис. 7.14, б)

В промежуточном случае, если p-n переход замкнут через некоторое сопротивление R_н, ток через переход и напряжение на ней определяется общим управлением фотодиода (7.89) или

, (7.92)

где

. (7.93)

Такой режим работы p-n-перехода получил название вентильного режима работы фотоэлемента, он осуществляется в четвертом квадранте.

Если p-n-переход работает в фотодиодном режиме (рис. 7.14, а) и, работая, точка не выходит за пределы третьего квадранта, ток через переход можно считать равным j_s + j_ф, а напряжение на переходе

U_П = U_вн - R_нI_обр. (7.94)

где I_обр – полный обратный ток через переход.

Выражение (7.89) получено для идеализированного случая. В действительности как структура p-n-перехода, так и условия генерации и рекомбинации существенно отличаются от рассмотренных. В частности, излучение теряет свою интенсивность с глубиной проникновения в полупроводник, падает и скорость генерации носителей

g (x)= g ₀ e ^{- αx} , (7.95)

где α – коэффициент поглощения.

Таким образом, толщина слоя, где происходит генерация, весьма мала (10^-2 ­­­– 1 мкм). Существенный вклад вносит и поверхностная рекомбинация носителей. Тогда необходимо выбирать условия l_p<<L_p, т.е. очень тонкую p-область. С учетом сказанного можно найти выражение для вольт-амперной характеристики фотодиода

, (7.96)

где s – скорость поверхностной рекомбинации.

Первое слагаемое в (7.96) описывает темновой ток, а второе – фототок, который достигает максимума при s =0, т.е. в отсутствие поверхностной рекомбинации. При прочих равных условиях необходимо иметь максимальный коэффициент диффузии D_p и минимальные значения l_p и s.

С целью более эффективного отвода носителей от поверхности p-n-переход формируют так, что при поверхностной области создается неравномерное распределение примеси. Это приводит к созданию тянущего поля в этой области.

Эффективность разделения полем перехода генерируемых носителей заряда характеризуется фоточувствительностью, равной отношению приращения фототока Δ I_ф к вызывающему его световому потоку Δ Ф

(7.97)

или

, (7.98)

где Δ Р – приращение мощности оптического излучения.

Вышеуказанные недостатки фотодиода на основе p-n-перехода устраняются в p-i-n фотодиодах, где между p- и n-областями расположен i-слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой l_p >> L_p, с тем чтобы поглощение света происходило именно в этой области. В i-слое при нормальной температуре свободные носители практически отсутствуют. И при обратном смещении перехода все приложенное напряжение будет падать на высокоомном i-слое. Фотогенерированные пары в сильном поле i-слоя будут разделяться более эффективно, и фотоотклик таких диодов будет более быстрым. Основное преимущество p-i-n-фотодиода заключается в высоких скоростях переключения и высоком квантовом эффекте, поскольку толщина i-слоя позволяет большинству фотонов поглощаться в этом слое.

Для повышения фоточувствительности в качестве фотоприемника часто используют не фотодиод, а фототранзистор, где управление осуществляется светом, подаваемым на базовую область. Такой транзистор управляется не током базы, но световым потоком. Фоточувствительность фототранзистора больше, чем для фотодиода, поскольку транзистор имеет коэффициент усиления β_Т. Тогда полный фототок фототранзистора будет равен

, (7.99)

т.е. в β +1 больше фоточувствительности фотодиода при прочих равных условиях.

Новым типом эффективных фотоприемников, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Они действуют на основе МДП структур (пп. 8.4, 10.2). На их базе разработаны ПЗС-матрицы, применяемые в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС-матриц с размером индивидуального элемента пикселя в несколько микрометров позволило использовать ПЗС-телекамеры в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике.

Серийное производство ПЗС-матриц осуществляется компаниями Texas Instruments, Sony, Samsung, Kodak и др. Среди российских производителей можно назвать НПП «Электрон-Оптроник», НПП «Силар» (Санкт-Петербург).

В качестве примера продукции этих предприятий можно привести матрицу ПЗС ISD-077, в которой число элементов составляет 1040 при размере ячейки 16х16 мкм с общей фоточувствительной поверхностью – 16,6 мм². На ее базе разработана малокадровая цифровая камера SEC1077, предназначенная для регистрации изображений в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах, используемая в астрономии, медицине, технологии МЭА.