Фотодиоды: принцип действия, виды, параметры и характеристики

Материалы

Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией, чтобы возбудить электроны через материал запрещенная зона будет производить значительные фототоки.

Материалы, которые обычно используются для изготовления фотодиодов, перечислены в таблице ниже.

Материал	Электромагнитный спектрдлина волны диапазон (нм)
Кремний	190–1100
Германий	400–1700
Арсенид галлия индия	800–2600
Сульфид свинца (II)	<1000–3500
Теллурид кадмия ртути	400–14000

Из-за большей ширины запрещенной зоны кремниевые фотодиоды генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Бинарные материалы, такие как MoS₂ и графен появился как новый материал для производства фотодиодов.

Параметры и характеристики фотодиодов[править | править код]

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=IΦΦvS_{i,{\Phi_v}}=\frac {I_\Phi}{\Phi_v}; Si,Ev=IΦEvS_{i,{E_v}}=\frac {I_\Phi}{E_v} — токовая чувствительность по световому потоку

Su,Φe=UΦΦeS_{u,{\Phi_e}}=\frac {U_\Phi}{\Phi_e}; Si,Ee=UΦEeS_{i,{E_e}}=\frac {U_\Phi}{E_e} — 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)U_\Phi=f(I_\Phi)
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

Классификация

p-i-n-фотодиод

Основная статья: pin-диод

В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
Лавинный фотодиод

Основная статья: Лавинный фотодиод

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

M=IΦIΦ{\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}

M=11−(UUpr)m{\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}

2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
Фотодиод с гетероструктурой

Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

Разница между PIN-кодом и лавинным фотодиодом | Лавинный фотодиод против фотодиода с PIN-кодом

Лавинный фотодиод	параметры	PIN Фотодиод
Четыре слоя — P +, I, P, N +	Слои	Три слоя — P +, I, N +
Очень высоко	Время реакции	Очень меньше
Низкое значение тока	Выходной ток	Умножение несущей вызывает усиленное значение тока
Прирост может достигать 200	Внутреннее усиление	Прирост незначительный
Очень чувствительный	чувствительность	Чуть менее чувствительный
Усилители могут улучшить производительность, но APD все еще может работать без этого, поскольку усиление уже есть.	Усилитель	Нет внутреннего усиления, поэтому использование усилителей обязательно.
Выше из-за умножения заряда	Шум	Сравнительно меньше, чем у APD
Экстремально высокий	Обратное напряжение смещения	Низкий
Большой	Стабильность температуры	Не очень

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.

У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.

Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.

Фотодиод p-i-n

Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)

Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).

Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.

Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.

Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.

Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.

На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.

Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.

Гетероструктурные

Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.

Проверка фотодиода мультиметром

Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.

Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.

Области применения фотодиодов

Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

Квантовая эффективность

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

Интересно почитать: фотореле в уличном освещении.

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.

Будет интересно Что такое транзистор

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.

Фотодиод на схеме.

Нежелательные и желаемые эффекты фотодиода

Любой p – n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p – n-переходы и не будут правильно работать, если они будут освещены нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. Этого можно избежать, заключив устройства в непрозрачные корпуса. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолета, рентгеновских лучей, гамма-лучей), диоды, транзисторы и ИС могут работать неправильно. из-за индуцированных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным.Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект действительно нужен, например, чтобы использовать Светодиоды как светочувствительные устройства (см. Светодиод как датчик света) или даже для сбор энергии, затем иногда называли светодиоды и светопоглощающие диоды (ВЕДЕТ).

Принцип работы фотодиода[править | править код]

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

кремниевый фотодиод 10x10mm

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 C_p-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

Световая характеристика и чувствительность фотодиода.

Рассмотрим связь тока короткого замыкания If с величиной светового потока , падающего на n-область фотодиода. Число квантов света, падающих в единицу hвремени на всю поверхность n-области фотодиода, равно /hv,

где hv — энергия одного кванта. Величина If пропорциональна числу квантов света, поглощаемых в полупроводнике в единицу времени

If= ,

(6)

Где β- квантовый выход фотоионизации (число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света);

χ — коэффициент переноса, показывающий, какая часть генерированных светом носителей не прорекомбинировала на пути к p-n-переходу.

Зависимость фототока фотоионизации фотодиода от светового потока и в фотодиодном режиме строго линейна в большом диапазоне величин световых потоков.

Чувствительностью фотодиода называется отношение фототока к величине светового потока

K=If / .

(7)

Подставляя (6) в (7) и учитывая, что v=c/λ,

получаем выражение, для спектральной чувствительности фотодиода

(8)

где с —

скорость света.

В действительности К уменьшается в области коротких волн значительно быстрее, чем это дает формула (8).Это связано с тем, что при уменьшении длины волны в области фундаментального поглощения, коэффициент поглощения обычно увеличивается, это приводит к тому, что световая энергия поглощается все в более тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации не равновесных носителей за счет поверхностных центров рекомбинации значительно больше, чем в глубине материала.

В области же длинных волн происходит спад фоточувствительности, соответствующий краю собственного поглощения материала, когда энергия кванта h становится равной ширине запрещенной зоны ∆Е.

Чувствительность фотодиодов к свету сложного спектрального состава называется интегральной чувствительностью.

Экспериментальная часть

Описание установки

Изучение свойств полупроводникового фотодиода производится на установке, состоящей из оптической скамьи, на которой расположен фотодиод в светонепроницаемом корпусе, и осветителя. Освещенность изменяется изменением расстояния между фотодиодом и источником света (при этом крышка светонепроницаемого корпуса должна быть снята). Световой поток, падающий на фотодиод, вычисляется по формуле

Φ= ,

С-

постоянная

Где s

–активная площадь фотодиода

-сила света лампы накаливания

-расстояние между нитью лампы и поверхностью диода. Схема включения фотодиода приведена на. рис. 6:

Рис. 6

Π- потенциометр, регулирующий напряжение внешнего источника ЭДС Eвн;

R-сопротивление нагрузки;

V-вольтметр, измеряющий напряжение на фотодиоде;

μA- микроамперметр;

Л-

осветительная лампа.

Порядок выполнения работы

Задание:

1) снять и построить вольт- амперные характеристики фотодиода в фотодиодном режиме при 4 различных световых потоках Ф и при Ф = 0 (табл. 1);

2) снять и построить световую характеристику фотодиода: I=ƒ , в фотодиодном режиме при 3-х различных напряжениях на фотодиоде, в том числе при напряжении, равном 0, и постоянном сопротивлении нагрузки (табл. 2);

3) Вычислить интегральную чувствительность фотодиода по данным пп. 1 и 2 (значение постоянной C указано на стенде).

Таблица 1

,cм	Φ	U, B
I,мкА

Таблица 2

l,cм
Φ
U1=0	I мкА
U2	I мкА
U3	I мкА

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффекти чем определяется его длинноволновая граница для беспримесного полупроводника?

2. Как образуется фототок и фотоэдс в p-n-переходе?

3.Что такое спектральная чувствительность фотодиода и от каких факторов она зависит?

4. Что такое интегральная чувствительность фотодиода?

5.Каково аналитическое выражение ВАХ диода и фотодиода?

6.Что такое световая характеристика светодиода?

7.Почему для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ?

8. В чем различие вентильного и фотодиодного режима работы освещенного перехода?

ЛИТЕРАТУРА

1. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М., «Советское радио», 1971.

Светодиоды

Основная функция данных полупроводниковых радиокомпонентов заключается в выработке светового излучения при прохождении электрического тока в прямом направлении. При подаче прямого смещения, как и в обычном диоде, начинаются процессы рекомбинации электронов и дырок. Отличие состоит в том, что в светодиоде этот процесс сопровождается генерацией фотонов, из которых состоит свет.

Для того чтобы полупроводник получил способность к генерации фотонов, он особым образом легируется. В результате материал насыщается носителями заряда, которые возбуждают электромагнитные колебания видимого спектра, которые органами зрения воспринимаются как свечение.

Преимуществом светодиодов является когерентность излучения. Это означает, что элемент вырабатывает электромагнитные колебания только одной длины волны. То есть, светодиодом генерируется свет только одного цвета из тех, что вместе составляют белый. В практической радиоэлектронике наибольшее распространение получили следующие светодиоды:

красные;
жёлтые;
оранжевые;
зелёные.

В осветительных приборах с недавних пор используются многокомпонентные изделия, генерирующие все цвета и смешивающие их в особо плотный белый свет. Эти источники света по светимости аналогичны накальным и люминесцентным лампам, но потребляют значительно меньший объём электроэнергии.

Отдельный тип светодиодов – радиокомпоненты, вырабатывающие инфракрасное излучение. Они используются в дистанционном управлении электроникой, СКУД, охранных сигнализациях и прочих подобных системах. И хотя эти элементы генерируют невидимые электромагнитные волны, они используют те же физические принципы и выполняются по той же конструкции, поэтому относятся к классу светодиодов.

Типы светодиодов

Сегодня существует два подхода к классификации световых диодов. Во-первых, радиокомпоненты различаются по предназначению. В зависимости от этого они могут быть излучательными и индикаторными. Первые используются в оптоволоконных линиях связи в составе оптических пар. Вторые применяются в устройствах индикации. Осветительные светодиоды относятся, кстати, ко второму типу.

Во-вторых, светодиоды различаются технологиями генерации фотонов и по этому признаку подразделяются на инжекционные и люминофорные. В первых свет вырабатывается напрямую полупроводником при прохождении электрического тока. В люминофорных светодиодах используется принцип вторичной генерации. Эти элементы дают более плотный поток света. Упомянутые выше излучательные светодиоды чаще всего являются именно люминофорными.

5.1.5 р-i-n-фотодиод

На практике используется два типа фотодиодов. Первый из них – p-i-n-фотодиод – получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован. На рисунке 5.6 приведена структура продольного сечения такого устройства, на котором обозначены:

Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) N_р на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой);
3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) N_n на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
4 – изолирующий слой SiO₂;
5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1;
6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение;
7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.
Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1. Здесь поглощение фотонов практически не происходит, поскольку за счёт высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1 все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у первого и третьего. С точки зрения теории цепей это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт того, что верхние энергетические уровни валентной зоны практически полностью заселены электронами. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из следующих соображений:
— все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать;
— созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Видно, что эти два требования альтернативны. На практике при разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
Конструктивно p-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения света вне i-слоя. С этой целью переход формируют у самой поверхности кристалла.
Как правило, ФД подключается ко входу усилителя фототока. Быстродействие всего фотоприёмника в целом определяется электрическими параметрами ФД. Созданные за счёт поглощения фотонов носители тока, двигаясь к внешним контактам 5 и 7, накапливаются на краях области 2, поскольку за её пределами ускоряющее поле практически отсутствует.
Процесс образования носителей тока в p-i-n — ФД, включение его в цепь и распределение напряжённости электрического поля показаны на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

ФФД при фотовольтаическом эффекте может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением ёмкости перехода C_Д (рисунок 5.8). Она шунтирует активное сопротивление перехода R_Д и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприёмника.

Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема фотодетектора

Рассмотренный p-i-n-фотодиод работает при напряжениях смещения U меньше пробивного напряжения U_пр

Следует отметить, что p-i-n — ФД просты по своей структуре, обладают высоким быстродействием, хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до десятков милливатт), просты в эксплуатации и дёшевы. В настоящее время они обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцового диапазона.

5.1.3 Вольт-амперные характеристики ФД

На рисунке 5.4 показаны вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.

Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

Как видим, фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Видно, что увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. Следует отметить, что при отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение I_T∼10-9−10-7. Величина его является важным параметром ФД, поскольку, как это будет ясно из дальнейшего изложения, I_T определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Описание

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

Принцип работы:

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения
фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

простота технологии изготовления и структуры
сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
малое сопротивление базы
малая инерционность

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.