Фотодиоды. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

Фотогальванический эффект возникает при поглощении света полупроводником при одновременной генерации подвижных носителей — электронов и дверок. Эти носители разделяются в пространстве. Причиной разделения носителей может быть электрическое поле приэлектродного барьера Шоттки на контакте «металл—полупроводник», поле р—-n-перехода или гетеропереход.

На рис. 6.1 представлена схема р—п-перехода, на который падает излучение с энергией фотонов Лю/Eg, где Е_х— ширина запрещенной зоны. При освещении р—n-перехода поглощение фотона может произойти в области объемного его заряда. Под воздействием внутреннего поля перехода носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны будут стремиться в п-область, а дырки соответственно в p-область. Вероятность этого процесса мала, потому что толщина слоя объемного заряда невелика.

Основная часть носителей генерируется в областях, примыкающих к р—n-переходу (на рис. 6.1 они обозначены как области 2 и 3).

Если генерация происходит на расстояниях меньше диффузионной длины электронов L" и дырок L_p, то сгенерированные носители дойдут до р—n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями этих областей. В области объемного заряда неосновные носители сортируются полем р—п-перехода: избыточные носители накапливаются в разных областях, что приводит к возникновению фото-ЭДС и фототока при наличии внешней цепи.

Рис. 6.1. Схема процессов, происходящих в р—п-переходе под воздействием света.

В результате разделения носителей p-область будет заряжаться положительно, а п-область — отрицательно.

Фототок через р—n-переход протекает независимо от приложенного напряжения и имеет вид:

где J«— ток насыщения, создаваемый свободными носителями заряда; Зф— фототок, пропорциональный скорости генерации избыточных электронно-дырочных пар в области диффузионных длин неосновных носителей; qU = E_h» — ?/._/(.

Вольтамперная характеристика фотодиода представлена на рис. 6.2.

Значение фото-ЭДС можно определить, положив 3- 0. Тогда:

Такой процесс разделения зарядов и формирования ЭДС называется вентильным или барьерным ЭДС.

Если к р—n-переходу приложить обратное напряжение, по величине равное напряжению лавинного пробоя, то возможно усиление фото-ЭДС за счет лавинного умножения генерированных светом носителей.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Существует и объемная ЭДС, вызываемая разделением пар носителей неоднородностями в объеме образца. Это может быть изменение концентрации легирующих примесей и изменение химического состава сложных полупроводников. Причиной разделения пар является встроенное электрическое поле, возникающее в результате изменения положения уровня Ферми. Такие полупроводники называются варизонными. Фотогальванический эффект применяется в фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах, т. е. во всех фотоприемниках с р—п-переходом.

Рис. 6.2. Вольтамперная характеристика фотодиода:

Jа — ток насыщения; — фототок;

J_a — ток короткого замыкания;

Е_ф — фото-ЭДС;

• 1 — освещение отсутствует;
• 2 — освещение присутствует

Большое распространение получили р—i—n-диоды, в которых i-область состоит из слабо легированного полупроводника. Электрическое поле в i-области ускоряет транспорт носителей и снижает барьерную емкость фотодиода. Последнее обстоятельство позволяет снизить величину емкости на входе предусилителя и уменьшить время переходных процессов.

Диоды на р—i—n-структуре позволяют обеспечить высокую чувствительность в длинноволновой области спектра при увеличении i-области, в которой поглощается порядка 90% излучения. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме позволяют обеспечить совместимость р—i—n-диодов с интегральными схемами.

Фотодиоды Шоттки со структурой «металл—полупроводник» позволяют повысить быстродействие приемников излучения до Ю" ⁰ с.

В таких структурах граница спектральной характеристики сдвигается в сторону более длинных волн. Фотодиоды Шоттки обладают малым сопротивлением базы фотодиода, и инерционность таких приборов определяется временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (примерно 10″¹ —КГ¹ с).

Простота создания выпрямляющих фоточувствитсльных структур с барьером Шоттки на различного типа полупроводниках (даже на тех, на которых нельзя сформировать р—n-переход) открывает большие перспективы использования фотодиодов Шоттки.

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют создать фотоприемные устройства с КПД, близким к 100%. На рис. 6.3 показано устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода. Излучение вводится через слой GaAlAs. Поглощение происходит в n-области GaAs. Разница в ширине запрещенной зоны по обе стороны от гетероперехода составляет приблизительно 0,4 эВ. Генерируемые в n-области дырки переносятся в р‘-область. Ширина активной n-области выбирается такой, чтобы происходило полное поглощение излучения. Структура работает при небольших напряжениях. Выбирая соответствующие пары полупроводников можно создать фотодиоды для любой части оптического спектра. Дело в том, что в гетероструктурах длина волны определяется разницей ширины запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой поглощения излучения.

Рис. 6.3. Схема фотодиода с гетероструктурой (а) и его зонная диаграмма (б).