Фотодиоды. 
Электронная техника

Приборы с р-п-переходом, обратный ток которых зависит от освещенности. На фотодиод (ФД) в традиционном режиме работы подают запирающее (обратное) напряжение и в случае Ф = 0 через прибор протекает малый обратный тепловой ток, как в обычном диоде. При освещении ФД генерируемые электронно-дырочные пары увеличивают поток дырок из п в р и электронов из р в п, при этом обратный ток увеличивается пропорционально световому потоку Ф. ВАХ ФД имеет вид, приведенный на рис. 6.13. Структура ФД совпадает с обычным диодом и по аналогии с ними создаются ирч-п-диоды (рис. 6.14, а).

Различают два принципиально различных режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный.

Рис. 6.13. ВАХ фотодиода.

В первом — ФД работает как высокочувствительный приемник излучения в спектральной полосе поглощения.

Во втором — это элемент солнечных батарей, т. е. прибор, преобразующий падающий свет в ЭДС с КПД порядка 10—12%. При этом максимальный ток короткого замыкания и напряжение холостого хода определяются параметрами ФД и интенсивностью падающего света.

Следует иметь в виду, что приборы фотодиодной группы не выдерживают высоких обратных напряжений. Определение оптимальной нагрузки для получения максимальной мощности производят по выбору максимальной площади квадрата (рис. 6.13).

Изготовляются ФД в основном из Ge, Si, а инерционность их определяется временем диффузии. Разработаны и находят достаточно широкое применение и фотоДБШ, свойства которых определяются параметрами полупроводникового материала и концентрацией примеси.

Основные параметры фотодиодов совпадают с фоторезисторами, но добавляются эксплуатационные, ограничивающие рабочий ток и напряжение.

Лавинные и p-i-n-фотодиоды

В быстродействующих фотоприемниках с полосой частот до нескольких гигагерц применяются ФД с p-i-n-структурой и лавинные фотодиоды (ЛФД).

ФД с p-i-n-структурой состоит, как показано на зонной модели (рис. 6.14, а), из п⁺-подложки слаболегированного слоя (i-слоя) и тонкого р⁺-слоя толщиной 0,3 мкм.

При приложении обратного смещения обедненный слой распространяется на весь i-слой и слой собственной проводимости. В результате уменьшается емкость перехода, расширяется область поглощения света и повышается чувствительность ФД. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону в зависимости от значения коэффициента поглощения а, вызывает появление фотовозбужденных носителей заряда. Фотовозбужденные носители, появившиеся в обедненном слое, ускоряются электрическим полем обедненного слоя до скорости насыщения дрейфа (—Ю⁷ см/с). Эту область называют областью дрейфа. Так как фотовозбужденные носители за пределами обедненного слоя в р⁺— и п⁺-слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения, ~10⁴ см/с, оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД, которое проявляется в виде «хвоста» импульсной характеристики.

Рис. 6.14. Зонная модель p-i-n- [а) и лавинного фотодиода (б).

(области: 1 — дрейфа; 2 — диффузии; 3 — лавинного умножения) Поскольку эти возбужденные носители перемещаются на расстояние порядка диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Для одновременного удовлетворения требованиям быстродействия и высокого квантового выхода необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном слое. Для этого при проектировании фотодиода делают р±слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают большей длины поглощения света (1/а). При этом длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм составляет 10—20 мкм, а величина рабочего напряжения, необходимая для получения достаточно широкого обедненного слоя, оказывается сравнительно низкой — порядка 1—20 В.

В ЛФД (рис. 6.14, б) обедненный слой, возникающий при приложении обратного напряжения, также необходимо рассматривать как область поглощения света; однако для создания ударной ионизации с помощью фотовозбужденных носителей рядом с р-п-переходом создают область с высоким значением напряженности электрического поля (более 10⁵ В/см), которую рассматривают как область лавинного умножения. Если фотовозбужденные носители, возникшие в результате поглощения света в области дрейфа, инжектировать в область лавинного умножения, то под действием непрерывной ударной ионизации возникнет лавинное умножение фотовозбужденных носителей.

Обычно ЛФД, благодаря эффекту лавинного умножения, обладают большей чувствительностью по сравнению с обычными ФД. Если напряжение смещения обозначить через V, а напряжение пробоя через У_п, то коэффициент умножения М приближенно может быть представлен эмпирической формулой.

Он принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При V * У_п с повышением напряжения происходит резкое увеличение коэффициента умножения, который может принимать высокие значения порядка М ~ 1000. С другой стороны, коэффициент умножения сильно изменяется при изменении напряжения и температуры, что является недостатком. При этом температурный коэффициент изменений напряжения пробоя составляет У_п ~ 0,2%/°С В схеме питания ЛФД необходимо предусмотреть меры, которые бы устраняли влияние этих изменений.

На рис. 6.15 приведены конструкции ЛФД и p-i-n-ФД, где 1 — просветляющая пленка; 2 — электрод (омический контакт); 3 — защитное кольцо; 4 — изоляция. Для предотвращения отражения света от поверхности все ФД покрываются просветляющей пленкой.

Защитное кольцо по периметру р-п-перехода служит для повышения напряжения пробоя, предупреждения локального лавинного пробоя (микроплазмы) и осуществления равномерного лавинного усилено ния. В кремниевом ЛФД из-за расширения обедненного слоя до 20 мкм и более рабочее напряжение падает.

Рис. 6.15. Конструкция ЛФД со структурой л⁺прпр⁺ (о), р-/-п-ФД (б) Поэтому область обедненного слоя формируют в виде р~(п) —слоя низкой концентрации, а лавинную область, требующую большой напряженности электрического поля, как p-слой с высокой концентрацией носителей. На рис. 6.15, а приведена конструкция кремниевого ЛФД со структурой п⁺прпр⁺, где уменьшением напряженности электрического поля в области лавинного умножения оказывается возможным получить широкий обедненный слой с высоким квантовым выходом. При этом напряжение пробоя оказывается низким, а быстродействие — высоким. Например, при V_n от 100 до 150 В быстродействие оказывается равным приблизительно 300 пс. Быстродействие ЛФД ограничено временем пробега фотовозбужденных носителей и постоянной времени RC-цепочки. Скорость дрейфа достигает ~10⁷ см/с, так что время пробега при ширине обедненного слоя 100 мкм оказывается небольшим, около 1 нс. При ширине несколько десятков микрометров и ниже получается быстродействие порядка нескольких ГГц. Электростатическая емкость определяется суммой паразитной емкости корпуса и емкости перехода, зависящей от диаметра фотоприемной части и обедненного слоя. Она составляет 1—2 пФ.

Следовательно, если сопротивление нагрузки положить равным 50 Ом, то постоянная времени КС-цепочки будет составлять 50—100 пс.

Все виды фотодиодов могут использоваться в электронных схемах для приема световых сигналов, при этом схемы их включения определяются техническими требованиями (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Схемы включения фотодиодов.