Разновидности фотодиодов

Лекция_13. (2 ЧАСА_15.05.07) РАЗНОВИДНОСТИ ФОТОДИОДОВ Материалы: «Электронные , квантовые приборы и микроэлектроника», под ред. Федорова, стр. 366; Волоконно-оптические сети, Убайдуллаев,стр.79» СОДЕРЖАНИЕ 5. p-i-n -фотодиоды 6. Лавинные фотодиоды 7. Фотоэлементы РАЗНОВИДНОСТИ ФОТОДИОДОВ Материалы: «Электронные , квантовые приборы и микроэлектроника», под ред. Федорова, стр. 366; Волоконно-оптические сети, Убайдуллаев,стр.79» Фотодиоды (ФД) - малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости p-n-перехода, условий разделения электронно-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и других устройствах требуются фотоприемники с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. 12.1 p-i-n -фотодиоды В p-i-n -фотодиоде (рис. 13.1,а) на подложке n+ сформирован слаболегированный i-слой (полупроводник с собственной проводимостью) и слой p+ толщиной до 0,3 мкм При подаче обратного напряжения между р и n областями (рис.13.1,б,) создается значительная разность потенциалов, то есть сильное электрическое поле, обедненным оказывается весь i-слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения и вызывает появление фотовозбужденных носителей (электронов и дырок). Электрическое поле обедненного слоя (напряженность поля около 103 В/см), ускоряет носители до скорости насыщения (около 107 см/с). При этом сильное электрическое поле заставляет электроны дрейфовать к положительно заряженной п-области, а дырки к отрицательно заряженной р-области. Таким образом, создаётся фототок (ток дрейфа): , (13.1) где q- заряд электрона (1,60.10-19 К), Nе – число электронов, перешедшее под воздействием фотонов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости. Ясно, что фототок возникает лишь в случае, когда энергия фотона Еф соответствует ширине запрещенной зоны Iф>0, если Еф>Ез (13.2) Iф=0, если Еф<Ез Однако, по разным причинам не каждый поглощённый фотон вызовет появление электрона в зоне проводимости. (Например, часть фотонов отражается от внешней поверхности полупроводника). Поэтому (13.3) где - внутренняя квантовая эффективность, характеризующая эффективность преобразования фотонов в электрический ток. Число фотонов Nф определяется отношением мощности излучения Ризл, , воздействующей на ФД, к энергии фотона Еф. Учитывая это, из (13.3) и (13.1) найдём величину фототока , (13.4) причем , где - длина волны; с- скорость света (3,00.108 м.сек-1); h –постоянная планка (6,63.10-34Дж.с). Величина (А/Вт) называется токовой чувствительностью ФД. Определим чувствительность с помощью формулы (13.4) или. С подстановкой значений констант получаем . Так, при = 0,85 мкм; =0,7; S = 0,48 А/Вт. Как видно из (13.4), величина фототока при заданных и определяется только мощностью излучения. Практически, однако, при отсутствии излучения, через запертый диод течёт обратный ток Iт, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем меньше величина энергии запрещённой зоны Eз, тем больше величина Iт. Так, у кремниевого ФД (Eз =1,11 эВ) этот ток меньше, чем у германиевого (Eз = 0,66 эВ). Из соотношений (13.2) и (13.4) следует, что фототок может существовать лишь при выполнении условия Физически это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны: называемой длинноволновой границей чувствительности. Например, для кремния мкм- для германия мкм. Зависимость S=F() называется спектральной характеристикой ФД и представлена на рис. 13.2,а. здесь завал характеристики на длинных волнах (то есть на низких частотах) объясняется резким уменьшением Iф выше гр, завал на коротких волнах (высоких частотах) объясняется шунтирующем действием емкости запертого р-п перехода эквивалентной схемы ФД (рис. 13.2,б). Широкополосность ФД (или полосу пропускания) определяют на уровне 0,707 sm, где sm - максимальная чувствительность ФД на волне 0 (рис. 13.2,а). Вольтамперная характеристика p-i-n ФД строится согласно равенству (13.4). Если ФД заперт, величина фототока определяется лишь мощностью излучения Ри. Если открыть ФД, то через него потечёт прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок (рис.13.3,а). Наконец, если излучение отсутствует, через ФД течёт темновой ток Iт. Важной характеристикой ФД, применяемых в ВОСП является их быстродействие , - зависимость времени нарастания (спада) фототока при воздействии на ФД импульса мощности излучения (рис.13.3,б). При этом величину определяют па уровне между 0,1 Iфм и 0,9 Iфм, где Iфм -максимальное значение установившегося фототока. Поскольку величина определяется временем дрейфа носителей через i-область, для увеличения быстродействия ФД необходимо выполнять i-область узкой. С другой стороны, для увеличения квантовой эффективности i-область желательно делать широкой. За пределами обедненного слоя носители двигаются диффузионно с относительно низкой скоростью (примерно 104 см/с). За счет этого быстродействие несколько снижается поэтому необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое, что достигается особенностями структуры p-i-n -диода (слой р+ делают очень тонким, а слой i - больше длины поглощения излучения). 13.2. Лавинные фотодиоды Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. В лавинном фотодиоде излучение также поглощается в обедненном слое. Эффективное лавинное размножение получается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробега носителя. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+ то у ЛФД добавляется р-слой (p+-i-р-n+), рис. 13.4. Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения М определяется по формуле где UД - напряжение внешнего обратного смещения; Uпр - напряжение обратного смещения, при котором наступает электрический пробой фотодиода - обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, n -число в диапазоне от 3 до 6. ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100. Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации, что усложняет схему включения ЛФД и их использование в оптических интегральных схемах. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность, что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Типовые характеристики фотоприемников приведены в таблице 13.1 Таблица 2.1 Фотоприемник Токовая чувствительность, А/Вт Темновой ток, нА Время нарастания,нс p-i-n фотодиод (InGaAs) 0,8 0,1 - 3 0,01 – 5 p-i-n фотодиод (Si) 0,5 10 0,1 – 5 Лавинный фотодиод (InGaAs) 20 - 60 30 0,3 Лавинный фотодиод (Gе) 20 - 60 400 0,3 – 1 13.3. Фотоэлементы Полупроводниковый фотоэлемент - полупроводниковый прибор с р-n-переходом, предназначенный для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэлементы представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие под действием излучения собственную ЭДС (рис.13.5). Такой режим работы называется вентильным или фотовольтаическим. Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения. Фотоны, воздействуя на п-р- переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в п- и р- областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших в р- области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в п- область. Аналогично дырки перебрасываются полем из п -области в р- область. А для основных носителей, например дырок в р- области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области (рис.13.5,а).В результате данного процесса в п- и р- областях накапливаются избыточные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (ЕФ). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис.13.5,б). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис.13.5,в) возникает фототок Iф = Еф/(Rн + Ri) где Ri -внутреннее сопротивление самого фотоэлемента. Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были разработаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селеновые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой п-типа, на который воздействовал световой поток. Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они имели спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фотометрических методов. Значительный интерес представляли сернистоталлиевые фотоэлементы. У них чувствительность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фотоэлементов – низкие частотные свойства и значительная зависимость интегральной чувствительности от температуры. В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательною и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт.