Фотодиоды: принцип действия, виды, параметры и характеристики

 

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

 

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

 

Принцип работы

Структурная схема фотодиода.

1 — кристалл полупроводника;

2 — контакты;

3 — выводы;

Ф — поток электромагнитного излучения;

Е — источник постоянного тока;

R_H — 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 ёмкостью 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

 

Класификация

P-i-n фотодиод

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≈0.1В 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 Uраб

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

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:

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:

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

W > > λ

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.

 

Фотодиоды на электрических схемах обозначаются следующим образом:

Конструкция фотодиода

I=IФ-IS(eU/jт-1)

где IФ=Si·Ф - фототок

IS – обратный ток

Si - интегральная чувствительность

Ф – световой поток