Фотодиоды. 
Электроника и микроэлектроника: импульсная и цифровая электроника

Фотодиод — это фоточувствительный полупроводниковый диод с р—л-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р—я-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока этих носителей зарядов совпадает с направлением обратного тока перехода.

При падении оптического излучения на фоточувствительную поверхность фотодиода оно частично теряется (отражается, рассеивается), а остальная часть поглощается этой поверхностью. При поглощении оптического излучения в фоточувствительном полупроводниковом материале возникают носители зарядов — электроны и дырки, обусловливающие избыточную электропроводность. Электропроводность полупроводникового материала, возникающую при его оптическом облучении, называют фотопроводимостью. Ее величина зависит от коэффициента поглощения фотонов материалом, а также от квантового выхода числа электронно-дырочных пар (фотоионизации), образуемых под воздействием одного кванта излучения. Подвижность электронно-дырочных пар определяет скорость генерации носителей и быстродействие фотодиода. Фотопроводимость возникает в случае, если энергия фотонов превышает некоторое пороговое значение. При собственном поглощении пороговую энергию определяет ширина запрещенной зоны, а при примесном — энергия активации соответствующего уровня примесного центра.

Основным структурным элементом большинства полупроводниковых фотоприборов служит р—л-переход (рис. 7.4). При облучении перехода неравновесные носители зарядов (электроны и дырки) возникают как в л-, так и в p-области. Концентрация основных носителей при облучении практически не изменяется, а неосновных — существенно увеличивается. При этом если излучение поглощается в p-области, то генерируемые электроны, нахо;

Рис. 7.4. Фотодиод:

а — полупроводниковая структура фоточувствительного элемента фотодиода с р—п- переходом; б — внешний вид; в — УГО; г — ВАХ; / — слой проводника с примесями, создающими избыток электронов (л-носителей); 2— слой полупроводника с примесями, создающими избыток дырок (л-носителей); 3 — металлические контакты дящиеся на расстоянии от р — п-перехода, меньшем длины диффузии, достигают перехода и под воздействием потенциального барьера перехода переходят в область с п-проводимостью. То же происходит с дырками, генерируемыми в /7-области. Неосновные носители, генерируемые в области освещения объемного заряда перехода, перемещаются в область с соответствующим типом проводимости. В результате разделения неравновесных носителей заряда высота потенциального барьера на границе р—п-перехода понижается и возникает обратный ток, пропорциональный освещенности (см. рис. 7.4, г).

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом режиме диод смещается в обратном направлении напряжением и фототок, возникающий при освещении, является функцией мощности светового потока. Во втором режиме прибор работает — генерирует фотоЭДС, т. е. при освещении р—72- перехода на выходе фотодиода возникает напряжение, пропорциональное мощности светового потока. По сравнению с фотогальваническим фотодиодный режим обладает следующими достоинствами: повышенным быстродействием и чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, более широким динамическим диапазоном с линейной характеристикой. Основным недостатком фотодиода является наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. В некоторых случаях при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный. Для снижения шумового тока применяют охлаждение фотодиода до -10 °С.

Вольт-амперные характеристики фотодиода в квадранте I (см. рис. 7.4, г) соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант 111 соответствует случаю работы диода в фотодиодном и фотогальваническом режимах. По оси напряжения можно определить фотоЭДС при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и нулевом сопротивлении нагрузки, а по оси тока — фототок при различных значениях Ф и нулевом сопротивлении нагрузки. Характеристики в квадранте III соответствуют включению прибора в фотодиодном режиме. В паспорте фотодиода обычно указывают рабочее напряжение (?/_раб) и напряжение электрического пробоя (?/_пр), позволяющие использовать фотодиод в оптимальном режиме.

Люкс-амперные характеристики кремниевых фотодиодов линейны до интенсивности, превышающей сотни тысяч люкс. Насыщение фотодиода и выход на нелинейный участок в фотогальваническом режиме наступают при меньших уровнях освещенности, по сравнению с фотодиодным. Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при интенсивности облучения в тысячи — десятки тысяч люкс.

Фоточувствительность и обнаружительная способность фотодиода уменьшается, а уровень собственных шумов увеличивается с увеличением температуры прибора в связи с увеличением темнового тока. Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темповой. Значение темнового тока /_х при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении обычно указывают в паспорте прибора. Темновой ток кремниевых и германиевых фотодиодов зависит от температуры окружающей среды. С повышением температуры на каждые 10 °C темновой ток германиевых приборов увеличивается в два, а кремниевых — в 2,5 раза. При этом максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям, т. е. к повышению чувствительности, снижению шумов, расширению спектрального диапазона. Поэтому для улучшения работы фотодиодов применяют охлаждение полупроводниковым холодильником на основе эффекта Пельтье.

В паспорте фотодиодов приводят следующие основные параметры: токовую чувствительность 5_Т; постоянные времени нарастания Т_н и спада Т_сп фототока (или граничную частоту модуляции светового потока); рабочую длину волны или рабочие интервалы длин волн. Кроме того, фотодиоды характеризуют обратным номинальным рабочим напряжением U₀б_рл|0м> обратным темновым током /обрт и максимально допустимым обратным напряжением.

U max*

Интегральные токовые чувствительности по мощности S,_P и световому потоку Б_1Ф при монохроматическом световом потоке, т. е. в узком диапазоне длин волн (около 10 нм), определяют следующими соотношениями:

где /_ф — фототок.

При работе прибора в фотодиодном режиме удобно использовать интегральную вольтовую чувствительность по световому потоку.

где Д?/_ВЬ|Х — изменение выходного напряжения; R_H — сопротивление нагрузки.

Спектральные характеристики кремниевых и германиевых фотодиодов, нормированные относительно максимального значения чувствительности на длине волны Х_тах [13], показывают, что максимум чувствительности кремниевого фотодиода находится в пределах 0,80…0,95 мкм, а его длинноволновый край чувствительности находится на длине волны 1,1 мкм (рис. 7.5). У германиевых фотодиодов максимум чувствительности сдвинут в сторону более длинных волн (1,40… 1,65 мкм), а его дтинноволновый край чувствительности находится на длине волны 1,7 мкм.

Рис. 7.5. Спектральная чувствительность кремниевого и германиевого фотодиодов.

Фотодиоды могут использоваться для построения ключевых каскадов так же, как и фоторезисторы (см. рис. 7.3), но ключевые схемы, построенные на фотодиодах, будут работать при сильных световых потоках и малых мощностях нагрузки (рис. 7.6). Специальные сильноточные фотодиоды используют как самостоятельные фотоключи и в качестве ключей в составе оптопары. При слабых световых потоках и значительных нагрузках необходимо применять дополнительно ключевые или усилительные каскады.

На схеме ключевого каскада (рис. 7.7, а) фототок /_ф, протекающий в цепи базы транзистора, усиливается и ток в цепи коллектора /_к = Л₂|б/ф1 где /;_21б — коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общей базой. Ток в цепи эмиттера /_э = (А_21б + 1)/_ф. В устройстве с составным транзистором (рис. 7.7, б) коэффициент усиления тока р_сост приблизительно равен произведению коэффициентов передачи транзисторов VT1 и VT2 и может достигать нескольких тысяч. Однако коэффициент передачи тока у транзисторов имеет значительный разброс, поэтому его значение нестабильно и такую схему целесообразно использовать в устрой;

Рис. 7.6. Электрические схемы включения фотодиодов: а — в цепи нагрузки; б — в цепи питания; в — в цепи смешения транзисторного каскада.

Рис. 7.7. Схемы ключевых каскадов на фотодиодах с транзисторными усилителями в цепи смещения: о — на одном транзисторе; б — в дифференциальной схеме; в — с инвертором стве, где транзисторы должны входить в насыщение при освещении фотодиода, т. е. в ключевых устройствах с оптическим управлением. Фототок в ключевом режиме /_фкл должен удовлетворять неравенству следующему:

В этом случае переключение происходит при малом значении фототока (даже при малом сопротивлении нагрузки).

Если необходимо линейное усиление фототока, то следует применять транзисторные усилители со стабильным коэффициентом передачи тока (рис. 7.7, в). Усилитель на транзисторах VT1 и VT2 охвачен цепью отрицательной обратной связи через резисторы R2 и R3. Выходной ток нагрузки /_н протекает по низкоомному сопротивлению нагрузки R_H.

Для фотодиодов в цифровых системах передачи информации требуется высокое быстродействие и малая инерционность. Их инерционность зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости р—w-перехода, а также сопротивления нагрузки. Быстродействие конкретного фотодиода можно охарактеризовать граничной частотой F^, соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от чувствительности на низкой частоте модуляции. Для кремниевых и германиевых фотодиодов с малой фотоприемной частью (рабочая площадка площадью 1 мм²) граничная частота 1 ГГц. Другими характеристиками быстродействия (или инерционности) фотодиодов являются постоянные времени нарастания Т_и и спада Т_сп фототока — интервалы времени, в течение которых фототок изменяется в е = 2,7 раз от установившегося значения (где е — основание натурального логарифма) при Ф = const после включения или выключения светового потока. Для кремниевых и германиевых малогабаритных фотодиодов эти величины составляют 1 …2 нс. Эти параметры обычно приводят в паспорте фотодиода. Они часто связаны между собой следующим соотношением: Т_н + Т_сп * l/F_rp.