Фотодиод

При освещении p-n-перехода, из-за наличия контактной разности потенциалов , генерированные светом избыточные носители света разделяются электрическим полем p-n-перехода (рис. 4.1). Электроны переносятся электрическим полем p-n-перехода в n-область, а дырки p-область.

Поскольку из обеих областей через p-n-переход уходят только неосновные носители, то можно считать, что генерируемые светом носители заряда увеличивают обратный ход p-n-перехода, так как именно он образуется за счёт неосновных носителей. Поэтому вольт – амперную характеристику p-n-перехода при освещении можно записать как алгебраическую сумму обычного тока и фототоку , создаваемого носителями, возбуждёнными светом: . (4.1).

В фотодиодном режиме последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения. В этом режиме потенциальный барьер возрастает (рис. 4.2), в формуле (4.1) величина , и ток через переход складывается из обратного тока, который протекает в отсутствие излучения (темнового тока) и фототока: . (4.2).

Типичная конструкция фотодиода показана на рис. 4.3, б.

Коэффициент усиления фототека Gв фотодиоде, в отличии от фоторезистора, не может быть больше единицы, так как ушедшие из контактной области носители (рис. 4.1) невосполняются внешним источником тока. Однако фото­диоды по сравнению с фоторезисторами обладают рядом преимуществ, главными из которых являются линейность энергетической характеристики I~ф, относительно низкий уровень шумов и возможность получения малой инерционности.

Согласно (4.2), с учётом , ток фотодиода не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света (рис.4.3,а).

Темновой ток фотодиода много меньше, чем у фоторезистора, поскольку он определяется обратным током p-n-перехода который имеет небольшую величину.

Толщину базы фотодиода делают меньше диффузионной длины , чтобы большая часть генерируемых светом неосновных носителей доходила до p-n-перехода, поэтому быстродействие фотодиода (постоянная спада фототока )не ограничивается временем жизни неосновных носителей, а определяется, с одной стороны, временем пролёта обеднённой области p-n-перехода , а с другой стороны (при детектировании переменного оптического сигнала) постоянной времени перезаряда барьерной ёмкости p-n-перехода .Одновременное уменьшение и снижает чувствительность фотодиода. Повышение быстродействия фотодиода при сохранении высокой чувствительности возможно в более сложных структурах.

В поглощение света происходит в i-области, которая заключена между p- и n-областями (рис. 4.4) и имеет удельное сопротивление в раз больше, чем сопротивление p- и n-областей. Это приводит к тому, что электрическое поле перехода Е можно сделать достаточно большим, и всё оно будет сосредоточенно именно в i-области. Сильное электрическое поле быстро разделяет генерированные фотоносители, и время становится очень малым.

Большая толщина i -области W обеспечивает также малое значение . Всё это позволяет повысить порог преобразования высокочастотного сигнала до нескольких ГГц.

Фотодиоды со структурой металл-полупроводник - фотодиоды Шоттки(рис.4.5) также позволяют повысить быстродействие до с.

Свет, проходя через тонкую прозрачную плёнку из металла поглощается сразу в области объёмного заряда, поэтому время пролёта обеднённой области перехода ничтожно мало. А малое удельное сопротивление металла ещё уменьшает сопротивление базы следовательно, и . Фотоносителями в этом случае являются дырки, которые практически мгновенно рекомбинируют с электронами в металле, предварительно внеся свой вклад в фототок.

Фотоэлементы. Кэтому классу приборов относятся фотодиоды, работающие в режиме генератора Фото – ЭДС и используемые в качестве источников питания.

При отсутствии внешнего источника питания дырки, возбужденные светом в базе диода, переносятся за счет контактной разности потенциалов в р-область, где они и накапливаются (рис. 4.6). В n-области происходит накопление оставшихся там электронов.

При подключении к такому диоду нагрузочного резистора в нем потечет ток, уменьшающий концентрации накопленных носителей, а значит, направленный от р-к n-области. При постоянном освещении наступит динамическое равновесие между количеством генерируемых светом носителей тока и количеством убывающих через внешнюю цепь. Если нагрузки нет, то равновесие наступает вследствие того, что накопленные носители понижают потенциальный барьер р-n-перехода (рис. 4.6) и возникают диффузионные токи основных носителей через р-n-переход.

При (короткое замыкание), напряжение равно нулю, а . В режиме холостого хода , а напряжение определяется из (4.1): . (4.3).

Ток насыщения увеличивается с ростом ширины запрещённой зоны . Поэтому для увеличения фото ЭДС фотоэлементы изготавливают из полупроводников с большими значениями .

Важным параметром фотоэлемента в дополнение к параметрам, характеризующим фотодиод, при использовании в качестве источника энергии является КПД. Он характеризуется отношением максимальной мощности электрического тока, которую можно получить от фотоэлемента, к мощности излучения, падающего на фотоэлемент: . (4.5).

Снижение КПД происходит как из-за внешних потерь (в основном потери на отражение падающего света), так и из-за внутренних (наличие последовательного сопротивления и утечкой носителей через сопротивление самого p-n-перехода). Кроме этого следует учитывать, что часть носителей, возбужденных светом, рекомбинирует, не доходя до p-n-перехода.

Обычно фотоэлементы используются для преобразования солнечной энергии в электрическую. Поэтому КПД будет тем больше, чем большая часть спектра солнечного света участвует в генерации носителей тока (т. е. чем шире спектральная характеристика фотоэлемента). Поскольку фотоэлемент из любого материала не имеет такой широкой спектральной характеристики, то стараются подобрать материал, фотоэлемент из которого имеет максимум на спектральной характеристике, совпадающей с положением части спектра, где расположен максимум энергии излучения Солнца. В настоящее время фотоэлементы изготавливаются, в основном, из кремния и их КПД достигает 12%. Перспективным является также соединение фотоэлементы из которого имеют КПД до 20%.

Для расширения спектра поглощаемого излучения в качестве фотоэлемента используют фотодиод с гетероструктурой(р- и n- области сформированы из полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. Устройство и зонная диаграмма гетероперехода изображены на рис. 4.7.

Ширина запрещённой зоны больше ширины запрещенной зоны ( на рис. 4.7) Поэтому для излечения в интервале частот слой играет роль окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n-области .

Генерируемые под воздействием оптического излучения в n-области дырки беспрепятственно переносятся в -область. Ширина активной n-области выбирается такой, чтобы обеспечить поглощение всего излучения. С ростом излучение поглощается в -слое и ширина спектра поглощения практически равна , следовательно, гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического диапазона длин волн.

Дата добавления: 2015-08-05