Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.
Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода
Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.
Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).
Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода
Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.
На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).
В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.
Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.
Вольт-амперная характеристика. В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода Iф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.
Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.
Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (Ip–n >> Iф ). Фотоуправление через диод становится невозможным.
Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:
где Uобр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; Iф– фототок (ток нагрузки).
Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток Iф. Этот ток Iф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока Iф по отношению к внешней цепи. Значение тока Iф от параметров внешней цепи (Uобр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).
Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС Eф или напряжениям холостого хода Uхх (Rн = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания Iкз (Rн = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений Rн выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в Rн будет передаваться наибольшая электрическая мощность.
Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.
Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф1 и R1, будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.
Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):
Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.
В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.
Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.
В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания Iкз, либо фото-ЭДС Eф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).
| Фотодиодный режим |
Рис.1.10.Световые характеристики ФД
Для функции Iкз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.
Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:
· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.
· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).
Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.
Основными параметрами являются:
· рабочее напряжение Uраб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.
· Интегральная чувствительность Kф.
Вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.
Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода
Фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P)). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. При отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение IT∼10 -9 −10 -7 . Величина его является важным параметром ФД, поскольку IT определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.
5.5 Процесс образования носителей тока в p-n фотодиоде.
Рисунок 5.5 – Процесс образования носителей тока в p-n-фотодиоде
Диод имеет обеднённую область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в р-области, а также область поглощения падающего света.
Ширина обёдненной области зависит от концентрации легирующих примесей: чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и материала, из которого изготовлен фотодиод. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и образуются электронно-дырочные пары. Если такие пары создаются в обеднённой области, электроны и дырки под влиянием сильного поля в этой области будут быстро дрейфовать в обе стороны (электроны в n-слой, а дырки в p-слой) и в цепи смещения возникнет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обеднённой области, то дырка вначале диффундирует в направлении градиента концентрации, а уже затем попадёт на внешний контакт. Так как процесс диффузии по сравнению с дрейфом происходит медленнее, то желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации легирующей примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой можно считать теперь собственным, т.е. i-слоем (от англ. intrisic – собственный). Если теперь добавить сильно легированную n-область, то получим известную p-i-n-структуру.
Р-i-n-фотодиод.
p-i-n-фотодиод получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован:
Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода
где 1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) Nр на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой); 3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) Nn на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 4 – изолирующий слой SiO2; 5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1; 6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение; 7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.
Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1, где поглощение фотонов практически не происходит, из-за высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1. Все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у 1-го и 3-го. Это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт практически полного заселения электронами верхних энергетических уровней валентной зоны. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из того, что все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать, а так же из-за того, что созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Эти два требования альтернативны. При разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.
5.7 Процесс образования носителей тока в p-i-n фотодиоде и распределение электрического поля в структуре.
Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ – конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Папиллярные узоры пальцев рук – маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.