Фотодиоды на основе p-n – перехода

Упрощенная структура фотодиода на основе p-n - перехода приведена на рис. 5.5. 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).

Рис. 55. Структура р-n – перехода: 1 – обедненная область; 2 – диффузионная область; 3 – область поглощения

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

Чем сильней поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Эта область может распространяться полностью на весь диод, если свет поглощается слабо. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом 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 вольт-амперных характеристик фотодиода приведено на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода

Область I соответствует фотодиффузионной области. Здесь к p-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

,(5.27)

где j_т – тепловой потенциал, U – напряжение на диоде.

В режиме холостого хода (R_Н → ¥) из приведенного выражения можно определить максимальное значение фото-ЭДС при определенном световом потоке:

.(5.28)

При коротком замыкании напряжение на фотодиоде равно нулю (U = 0), а ток фотодиода создается потоком фотоносителей. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС 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 p-n - переход светового потока ток фотодиода равен:

.

Вольт-амперная характеристика нагруженного резистора представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

,

где U_А – напряжение на фотодиоде в рабочей точке А, соответствующей световому потоку Ф₁, указанному на рис. 5.6.

В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от сопротивления 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 (область IV на рис. 5.6) наблюдается лавинный пробой p-n - перехода. Если с помощью сопротивления нагрузки ограничить большой обратный ток p-n - перехода, наблюдаемый в этом случае, то возможно реализовать фотоприемник, использующий обратимый электрический прибор, обладающий усилением фототока много раз по сравнению с фототоком в фотодиодном режиме. Этот эффект используется в лавинных фотодиодах (ЛФД).