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 (1.30), (1.31). 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 1.9.

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV, рисунок 1.9. 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 Ф 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 Ф. 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 R 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 Ф, 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:

. (1.43)

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания, либо фотоЭДС от светового потока излучения. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного. Появление нелинейности зависимости тока короткого замыкания от Ф 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 (1.43), 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:

, (1.44)

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:

, (1.45)

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

. (1.46)

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 t = 0 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 (1.45) и (1.46).

По мере увеличения светового потока происходит уменьшение времени нарастания и увеличивается время спада фотоЭДС.

 

 

Светоизлучательные диоды

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы излучающих полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватывают диоды, работающие в диапазоне видимого излучения, – это светоизлучающие диоды (СИД) (используются для визуального отображения информации) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения – инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды).

Современные излучательные диоды обладают следующими достоинствами: высоким значением КПД преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узким спектром излучения (квазимонохромотичность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекрытием почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов, с другой; высокой для некогерентного излучателя направленностью излучения; малыми значениями прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высоким быстродействием; малыми габаритами; технологической совместимостью с микроэлектронными устройствами; высокой надежностью и долговечностью.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом

, (1.47)

где – коэффициент инжекции; – внутренний квантовый выход; – оптическая эффективность или коэффициент вывода света.

Произведение определяет эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду, так как при выводе излучения из активной (излучающей) области диода имеют место следующие потери энергии:

1) потери на самопоглощение;

2) потери на полное внутреннее отражение;

3) потери на обратное и торцевое излучение.

Эффективность вывода оптического излучения из диода характеризуется коэффициентом вывода и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности излучения, генерируемого внутри кристалла:

. (1.48)

Таким образом, внешний квантовый выход – это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции , электролюминесценции и вывода излучения в создании оптического излучения.

К характеристикам светоизлучающим диодам относят:

Излучательную характеристику. Она представляет собой зависимость параметров оптического излучения от прямого тока, протекающего через р-п- переход.

Для ИК-диодов излучательную характеристику представляют в виде зависимость потока излучения Ф от прямого тока, протекающего через р-п -переход. Для светоизлучающих диодов излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света , яркости от прямого тока .

При малых токах прямых токах через СИД велика доля безизлучательной рекомбинационной составляющей тока и коэффициент инжекции при этом мал. С ростом прямого тока световой поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока в токе, протекающем через р-п- переход, не окажется преобладающей диффузионная составляющая тока.

Дальнейшее увеличение приводит к и насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади излучающего р-п- перехода и от размеров электрических контактов.

Спектральную характеристику. Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения или от энергии излучаемых фотонов называется спектральной характеристикой излучающего диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Использование материалов для производства приборов с различной энергией запрещенной зоны позволяет управлять длиной волны излучения СИД. Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучающего диода характеризуют шириной спектра излучения , измеряемой на высоте половины максимума характеристики. Излучение большинства излучающих диодов близко к квазимонохроматическому и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

К основным параметрам СИД относятся: длина волны излучения ; доминирующая длина волны излучения ; сила света ; угол излучения .

Длина волны излучения – это длина, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения СИД.

Глаз реагирует не только на интенсивность излучения, но и на цвет излучения. Поэтому при визуальной индикации излучение еще характеризую доминирующей длиной волны . Этот параметр является количественной мерой цветного восприятия излучения человеческим глазом. Два СИД с различными спектральными характеристиками будут иметь одинаковый цвет свечения, если они имеют одинаковую . Доминирующая длина волны – это излучение такой длины волны, смешивание которого с излучением эталонного источника воспринимается глазом как цвет излучения СИД. Излучение эталонного источника эквивалентно дневному свету от облачного неба.

Количественно излучение СИД характеризуют силой излучения. Однако сила излучения зависит от направления излучения. Направленность излучения описывают диаграммой направленности или углом излучения . В пределах угла излучения сила излучения составляет не менее половины ее максимального значения.

С помощью диаграммы направленности и угла излучения можно определить зрительно воспринимаемый световой поток при взгляде под некоторым углом к геометрической оси излучателя. Паспортная диаграмма направленности позволяет определить значение силы света при любом конкретном угле зрения.

К основным параметрам излучающего прибора относятся характеристики диода как элемента электрической цепи постоянного тока, определяемые его вольт-амперной характеристикой. Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в энергии запрещенной зоны применяемых материалов. Чем выше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на излучающем диоде и потери электрической энергии в нем.

Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока. Время переключения складывается из времени включения и выключения излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезаряда барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода. Для светоизлучающих диодов (СИД) быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза около 50 мс, что больше СИД.

Важной особенностью излучающих диодов является присущая им деградация – постоянное уменьшение мощности излучения при длительном протекании через прибор прямого тока. Деградацию связывают с увеличением

нием концентрации центров безызлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов. Также играет роль дезактивация части излучательных центров за счет их перехода из узлов кристаллической решетки в междоузелья.

Снижение мощности излучения из-за деградации подчиняется экспоненциальному закону:

, (1.49)

где исходная (начальная) мощность излучения; постоянная времени, характеризующая скорость процесса деградации. Для большинства излучающих диодов ч.

Рассмотрим влияние температуры на параметры и характеристики СИД. С ростом температуры увеличивается длина волны излучения , что связано с уменьшением ширина запрещенной зоны полупроводника.

 

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СТЕНДА