Как работает фотодиод

Фотоэлектронные приборы. Принцип работы, основные параметры и характеристики фотодиода.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ — электровакуумные или полупроводниковые приборы ,преобразующие эл—магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.

Фотоэлектронными называются приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую. В спектре длин волн оптического излучения для фотоэлектронных приборов в основном используются ультрафиолетовые излучения (диапазон длин волн λ=10-400 нм), видимое (λ=0,38-0,76 мкм) и инфракрасное (λ=0,74-1 мкм).
Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях внутреннего и внешнего фотоэффектов. Внутренний фотоэффект, используемый в основном в полупроводниковых фотоэлектронных приборах, заключается в том, что под действием лучистой энергии оптического излучения электроны получают дополнительную энергию для их освобождения от межатомных связей и перехода из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего электропроводимость полупроводника существенно возрастает. При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия световых квантов (фотонов) оптического излучения должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. (36)
Следовательно, фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны λф, меньшей некоторого граничного значения, называемого «красной границей».
(37)
где λф – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала, мкм;
с – скорость света в вакууме;
– постоянная Планка;
– ширина запрещенной зоны (рис.3), ограниченная краями энергетических зон ЗП, ВЗ, в электрон-вольтах (эВ).
Следует отметить, что возможности фотоэлектронных приборов могут расширяться при воздействии энергии разнообразных источников излучения. Такими источниками могут быть как источники фотонов (солнечная энергия, гамма-излучение, рентгеновское излучение), так и источники частиц с высокой энергией (электронная пушка, бета-излучение, альфа-частицы, протоны и др.) .

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта в p-n переходе возникает односторонняя фотопроводимость при воздействии на него оптического излучения. Конструктивно он представляет собой кристалл с p-n переходом, причём световой поток при освещении прибора направляется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис.36). Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.

Рис. 36. Структура фотодиода

Принцип работы фотодиода

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и емкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

§ фотогальванический — без внешнего напряжения

§ фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

§ простота технологии изготовления и структур

§ сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

§ малое сопротивление базы

§ малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

чувствительность

отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

Si,Φv=IΦΦv; Si,Ev=IΦEv — токовая чувствительность по световому потоку

Su,Φe=UΦΦe; Si,Ee=UΦEe — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

шумы

помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

вольт-амперная характеристика (ВАХ)

зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ)

спектральные характеристики

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

световые характеристики

зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

постоянная времени

это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

темновое сопротивление

сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Инерционность

Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.

Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107–1010 Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.

Схема работы фотодиода

Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.

Диод в состоянии покоя

Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.

Если подать напряжение: слева — плюс, справа – минус, потечет ток, так как запирающий слой будет преодолен. Если напряжение подать наоборот, то запирающий слой увеличится, ток будет равен нулю, или будет очень мал.

У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.

Pin-фотодиод

Схема pin-фотодиода

В наше время широко применяются волоконно-оптические системы связи. В них для преобразования света в электрический сигнал применяются pin-фотодиоды. Р и n слои фотодиода изготавливают при помощи легирования (добавления примесей в полупроводник). Плюс говорит о том, что легирование повышенное, то есть добавок больше, чем обычно).

Средняя часть фотодиода – i часть – слаболегированный проводник n-типа. При подачи обратного напряжения, в этом слое возникает обедненная область (мало дырок и электронов). Поэтому сопротивление этой части диода велико, намного больше, чем в р+ и n+ слоях. Как следствие, электрическое поле сосредоточено в и-области. Фотон поглощенный в и-зоне рождает пару: электрон и дырка.

Сильное поле i-области мгновенно разделяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон – анодом. Возникает электрический ток. Pin фотодиоды очень эффективны. Наибольшая частота, с которой они работают достигает 1010 герц. Что позволяет передавать терабайты информации за 1 секунду.

Как видим из рисунка, ширина и-слоя намного больше, чем ширина р+ и n+ слоев. Это сделано для того, чтобы фотоны поглощались бы в и-зоне, а не в соседних слоях.

Лавинный фотодиод

В волоконно-оптических системах связи помимо pin фотодиодов применяются лавинные фотодиоды (ЛФД).

ЛФД отличаются от ПИН фотодиодов наличием дополнительного р-слоя. Количество легирующих примесей подбирается так, что наибольшее сопротивление имеет р-слой. Это приводит к тому, что наибольшее падение напряжения происходит в р-слое.

Фотон попадая в светочувствительный i-слой выбивает электрон, который устремляется к аноду. Соответствующая электрону дырка движется к катоду.

Электрон на своем пути попадает в зону высокого напряжения р-слоя. Здесь скорость электрона резко возрастает и становится достаточной для выбивания с внешней орбиты атомов р-слоя других электронов. Новые свободные электроны в свою очередь сбивают с валентных слоев дополнительные электроны. Процесс нарастает лавинообразно. Поэтому этот тип фотодиодов называется лавинным.

На рисунке показано резкое усиление электродвижущей силы в зоне р-слоя. Первичный ток, возникший в и-слое, лавинообразно усиливается в р-слое. Коэффициент умножения может достигать нескольких сотен. Слишком большое умножение приводит к большим шумам, которые увеличиваются быстрее сигнала. Оптимальный коэффициент умножения находится в пределах от30 до 100.

Основные характеристики фотодиодов

Мы рассмотрели физические аспекты работы фотодиодов. Чтобы до конца разобраться в том, что такое фотодиод необходимо ознакомиться с его математическим описанием. Главные характеристики фотодиодов: вольтамперная, световая и спектральная. Рассмотрим ВАХ:

Вольтамперная характеристика фотодиода

Мы видим семейство кривых, характеризующих зависимость тока, проходящего через фотодиод от приложенного напряжения. Каждая кривая соответствует различным потокам излучения (светового или инфракрасного). Кривая Ф=0 характеризует функционирование фотодиода в темноте. Все кривые не заходят во II четверть. Рабочая область III четверть.

Очень интересный факт, заключается в том, что в III четверти сила тока почти не зависит от приложенного обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Она зависит от величины светового потока. Чем больше поток, тем больше сила тока. Уравнение зависимости обратного напряжения от силы тока имеет вид:

Eобр — Iф · R = U

Где Еобр – разность потенциалов источника обратного напряжения;

U – обратное напряжение на фотодиоде;

Iф– фототок (ток нагрузки);

R – резистор нагрузки.

Мы видим, что фотодиод в рабочей четверти является источником тока во внешней цепи.

I четверть – нерабочая зона фотодиода. Здесь приложено к нему прямое напряжение. Диффузный ток подавляет фототок.

В IV четверти фотодиод работает, как фотогальванический элемент. Точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует значению ЭДС, возникающей при отсутствии тока в цепи. То есть при R= ∞. У кремниевых фотодиодов Uх при разных потоках Ф равно приблизительно 0,5в.

Точка пересечения кривых с осью ординат показывает ток короткого замыкания. То есть ток при R=0.

Заштрихованная область показывает оптимальный режим для потока Ф1.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:, для нас это очень важно:

6.7. p-i-n-фотодиоды

6.7.1. Принципы действия

Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические,, используя обрат-лый пр сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 6.9. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать лосители заряда от внутренней области.

Рис. 6.9. p-i-n-фотодиод

Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон — дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету, как показано на рис. 6.9.

6.7.2. Рабочие параметры

Длина волны отсечки

У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон — дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов.

Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки.

Чувствительность

Чувствительность ρ есть отношение выходного тока (i) детектора к входной оптической -мощности (Р).

Для 800 нм чувствительность кремния около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs около 1,1 А/Вт для 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт для 1300 нм.

Спектральная характеристика

Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 6.10.

Квантовая эффективность

Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.

Рис. 6.10. Спектральные характеристики p-i-n-диодов

Скорость ответа

Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей.

Вольтамперная характеристика

Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показа, на рис. 6.11. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С.

Динамический диапазон

Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.

Рис. 6.11. Вольтамперные характеристики кремниевого p-i-n-фотодиода

6.7.3. Конструкция p-i-n-фотодиодов

Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем.

Спектральная характеристика — фотодиод

Cтраница 4

Используемый для освещения фотодиода свет может быть как монохроматическим, так и сложного спектрального состава. Чувствительность фотодиода к монохроматическому свету различна для разных длин волн.

Зависимость чувствительности диода от длины волны называют спектральной характеристикой фотодиода.  

Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-п переходом при малой глубине поглощения фототек практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл — полупроводник значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-п переходом из того же полупроводника.  

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением Eg, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы, где тЭф мало и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р — n — перехода. Следовательно, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Вид спектральной характеристики реального фотодиода определяется в основном зависимостью коэффициента собирания х от длины волны. Значение к определяется структурой фотодиода, диффузионной длиной неосновных носителей, коэффициентом поглощения света, шириной запрещенной зоны полупроводника. Для повышения чувствительности в длинноволновой области сйектра необходимо увеличивать диффузионную длину неосновных носителей в исходном материале.  

Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р-п-переходом. Однако есть некоторые различия, которые сказываются на характеристиках и параметрах. При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер ( рис. 9.22), обеспечив тем самым возникновение фототока. Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта металл — полупроводник определяется высотой потенциального барьера на этом контакте и расположена при более длинных волнах электромагнитного спектра.  

Принцип действия фотодиода на основе выпрямляющего перехода металл — полупроводник аналогичен принципу действия фотодиода с р-п-переходом. Однако есть некоторые различия, которые сказываются на характеристиках и параметрах. При этом если энергия кванта света превышает высоту потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер ( рис. 9.22), обеспечив-тем самым возникновение фототока. Поэтому длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиодов на основе контакта металл — полупроводник определяется высотой потенциального барьера на этом контакте и расположена при более длинных волнах электромагнитного спектра.  

С точки зрения применения контакта металл — полупроводник в фотодиодах следует подчеркнуть такие основные особенности. Во-первых, в фотодиоде с барьером Шоттки появляется возможность поглощения квантов излучения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, в металле контакта. При этом, если энергия кяанта излучения больше высоты потенциального барьера, возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн.  

Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодиоде с р-п переходом при малой глубине поглощения фототек практически равен нулю. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл — полупроводник значительно шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-п переходом из того же полупроводника.  

Исходным материалом служил монокристаллический GaAs с концентрацией электронов примерно 3 — Ю17 см-3. Омическим контактом служил слой серебра, напыленный на поверхность GaAs и отожженый при 400 С в атмосфере водорода. На рис. 6.11 представлены спектральные характеристики фотодиодов, отличающихся толщиной слоя серебра на светочувствительной поверхности.  

Добавить комментарий

Закрыть меню