Основные характеристики фотодиода.


ВАХ фотодиода в темноте


Рассмотрим вначале фотодиод в отсутствии освещения, но в темноте при приложении к нему внешнего напряжения. Здесь мы получим ВАХ диода качественным способом, что поможет нам лучше разобраться в токах, протекающих через диод. На рис.7а показана зонная диаграмма p-n-перехода в отсутствии внешнего напряжения. При этом диффузионные и дрейфовые токи, создающие p-n-переход, компенсируют друг друга, поэтому в дальнейшем их можно не учитывать. Но при приложении сколь угодно малых напряжений, когда высота барьера еще практически не изменится, через p-n-переход будут протекать темновые токи (рис.7а). Справа налево в зоне проводимости будет протекать ток Is, который определяется концентрацией электронов n2, или расстоянием от дна зоны проводимости до уровня Ферми - Ес2 - F2 (см. ур.1). Слева направо могут проходить только те электроны, энергия которых относительно дна зоны проводимости Ес1 превышает высоту барьера jK=Ес2-Ес1. Электроны n1, находящиеся на дне зоны проводимости, не могут преодалеть потенциальный барьер. При очень малых приложенных напряжениях общий ток практически равен нулю,т.е. на рис.7а слева направо также протекает ток Is. Эти же самые соображения можно применить и к токам, обусловленным движением дырок в валентной зоне.
12.gif а б в Рис.7. Энергетические диаграммы фотодиода в темноте:а) в отсутствии напряжения, б) при отрицательном приложенном напряжении,в)при положительном приложенном напряжении.
Приложим к p-n-переходу обратное (запорное) напряжение U<0 (рис.7б). Тогда высота барьера увеличится на qU. Так как приложенное напряжение не меняет концентрации электронов n2 , то и Ес2-F2 также не меняется. Уровень Ферми сдвигается вверх также на величину qU. Справа налево по-прежнему будет протекать тот же самый ток электронов Is, поэтому этот ток получил название тока насыщения. Однако ток электронов слева направо резко уменьшится из-за увеличения высоты барьера на qU. Так как концентрация электронов, которые могут пройти слева направо над потенциальным барьером экспоненциально зависят от высоты барьера согласно функции Ферми-Дирака, то слева направо теперь будет протекать электронный ток I=Is?ехр(qU/kT). Напомним, что обратное напряжение U считается отрицательным. Общий ток будет равен разности двух потоков электронов
13.gif(4) Приложим теперь к диоду положительное (прямое) напряжение, (рис.6в). Потенциальный барьер уменьшится на величину qU, так что поток электронов слева направо через барьер возрастет в ехр(eU/kT) раз. Ток насыщения при этом опять таки не изменится, так как концентрация электронов n2 в p- высоты барьера, рис.6. Независимо от причины изменения высоты барьера, внешнее напряжение или освещение, инжекционный ток области не зависит от напряжения. Общий ток так же будет описываться ур.(4), но теперь приложенное напряжение - положительно. Этот ток через барьер называется инжекционным током, т.к. происходит инжекция электронов через барьер из n-области в p-область.
Если фотодиод осветить, то через p-n-переход будет протекать еще ток, созданных светом дырок, рис.5. Этот ток Iф так же приводит к изменению (уменьшение будет описываться ур.(4), где вместо U надо подставить Df . Величина Df - это изменение (уменьшение) высоты барьера или просто падение напряжения на p-n-переходе. Полный ток через барьер будет равен разности тока Iф и инжекционного тока
15.gif(5)
За положительное направление тока в полупроводниковом диоде принимается направление движения основных носителей заряда при подаче на диод положительного напряжения.
В общем случае во внешнюю цепь фотодиода может быть включено сопротивление R,(рис.1,8). В этом случае уравнение (5) сохраняет свою силу, т.к. оно определяет ток через p-n-переход. Другое дело, что падение напряжения на p-n-переходе Df будет зависеть от внешнего напряжения. В силу замкнутости цепи точно такой же ток должен протекать и через внешнюю цепь. Найдем падение напряжения на сопротивлении. На рис.8 показано включение фотодиода в цепь, содержащюю сопротивление R и источник тока (батарею), имеющий ЭДС Е. Источник тока создает на p-n-переходе падение напряжение Df, тогда за счет батареи на сопротивлении R падает напряжение (Е - Df). При освещении фотодиода на его выводах появляется фотоЭДС Dfф, рис.6в. Эта фотоЭДС падает на внешнем сопротивлении. Таким образом падение напряжения на внешнем сопротивлении равно IR = Е - Df , где Df=Dfб-Dfф - уменьшение высоты потенциального барьера, создаваемое источником тока и фототоком, возникающим при освещении фотодиода.
Итак получим

(6)


где мы использовали так же ур.(5) для тока. Ур.(6) получило название основного уравнения фотодиода. Это наиболее общее уравнение, учитывающее возможное наличие внешнего сопротивления и источника внешнего напряжения с ЭДС Е.


Рис.8. Включение фотодиода в цепь, содержащую сопротивление и источник тока.


На практике различают два режима работы фотодиода: вентильный и фотодиодный.

Вентильный режим


Вентильный режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи. При этом внешнее сопротивление в общем случае может быть включено во внешнюю цепь. Уравнение (6) для вентильного режима работы фотодиода принимает вид

(7)


где в отсутствии внешнего источника тока Df - это уменьшение высоты потенциального барьера или напряжение на выходах фотодиода, обусловленное фототоком при освещении фотодиода. Рассмотрим два частных случая уравнения (7).
Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи (R=?) ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным (рис.6б). Эту величину Df= fв называют вентильной фотоЭДС. Из ур.(7), при условии I=0, получаем следующее уравнение, позволяющее по известным значениям фототока Iф и тока Is рассчитать фотоЭДС:

(8)


ФотоЭДС можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p-n-перехода.

Режим короткого замыкания.

В режиме короткого замыкания, рис.6а, напряжение на выводах фотодиода Df = 0. Тогда из ур.(7) следует, что ток короткого замыкания во внешней цепи равен фототоку,

I = Iф (9)


Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока.

Фотодиодный режим работы фотодиода.


Фотодиодный режим работы характеризуется наличием обратного напряжения на p-n-переходе. В этом режиме величина потенциального барьера возрастает и, следовательно, ток через p-n-переход будет определяться потоками неосновных носителей. Ток через фотодиод при отсутствии освещения является током насыщения. ВАХ описывается ур.(6), но в это уравнение входит неизвестная величина Df . Поэтому обычно рассматривают частные случаи.
1)При отсутствии освещения ур.(6) переходит в обычную ВАХ диода ур(4).
2)При наличии освещения, чтобы упростить ур.(6), на фотодиод подают достаточно большие напряжения, чтобы в нем можно было принебречь экспонентой в квадратных скобках. Тогда через фотодиод будет протекать только только фототок и ток насыщения:

I = Iф + Is (10)


Этот режим достаточно больших обратных напряжений и называется фотодиодным режимом. Из ур.(7), зная ЭДС батареи Е и сопротивление R, можно определить Df - падение напряжения на p-n-переходе, обусловленное как приложенным напряжением так и фототоком.
Семейство ВАХ
На рис.9 показано семейство ВАХ фотодиода, как при фотодиода отрицательной так и при положительной поляризации, рассчитанные по общему уравнению (6). При положительных напряжениях ток фотодиода быстро возрастает (пропускное направление) с увеличением напряжения. При освещении же общий прямой ток через диод может даже уменьшаться, так как фототок направлен противоположно току от батареи. Поэтому фототок при положительных (прямых) напряжениях не используется на практике.


Фотодиодный Вентильный
режим


Рис.9. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода.
При достаточно больших обратных напряжениях в темноте через диод протекает ток насыщения, при освещении полный ток возрастает. Это фотодиодный режим. При U=0 через фотодиод протекают только фототоки. Это вентильный режим.
Световая зависимость
Световая характеристика представляет собой характеристика величины фототока от светового потока Ф, падающего на фотодиод. Сюда же относится и зависимость фотоЭДС от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотодиоде при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотодиод. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

Iф = К*Ф (11)


где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода. Подставив выражение (11) в ур.(8), получим, что фотоЭДС - fв пропорционален логарифму светового потока.
В фотодиодном режиме, как следует из ур.(10), ток во внешней цепи строго пропорционален световому потоку, так как ток не зависит от напряжения.
В вентильном режиме при наличии внешнего сопротивления,как следует из ур.(7),ток во внешней цепи не будет пропорционален световому потоку, так как величина Df зависит от фототока,т.е. от величины свет. потока.
В вентильном режиме при коротком замыкании, как следует из ур.(9), ток во внешней цепи пропорционален световому потоку. Однако эта линейность может быть нарушена при больших световых потоках, если p- и n-области полупроводника имеют заметные сопротивления, эти сопротивления играют роль внешних сопротивлений. На рис.9 показаны световые характеристики фотодиода в разных режимах работы.


Рис.10. Световая характеристика фотодиода:
1) фотодиодный режим,
2) режим короткого замыкания,
3) вентильный режим при Is наличии внешнего сопротивления.
Коэффициент пропорциональности в ур.(11) получил название интегральной чувствительности фотодиода. Интегральная чувствительность рассчитывается по формуле: К = Iф/Ф (12). Интегральной она называется потому, что при освещении фотодиода используется белый свет лампы накаливания. Обычно чувствительность К фотодиодов измеряют в миллиамперах на люмен (мА/лм). Чувствительность фотодиода - величина постоянная, не зависящая от величины светового потока Ф и напряжения, приложенного к фотодиоду.

Спектральная чувствительность


Будем теперь освещать фотодиод монохроматическим светом с некоторой длиной волны l. Величину потока светового Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света. Фототок будет зависеть от длины волны. Найдем эту зависимость. Энергия одного кванта света равна hn, где - частота света. Число фотонов (квантов света) равна Ф/hn . Число же электронно-дырочных пар, созданных светом в фотодиоде, пропорционально числу падающих фотонов. Поэтому фототок будет обратно пропорционален частоте света или прямо пропорционален длине световой волны l, так как l ~ 1/n.
Итак

Iф ~1/n ~ l (13)


- спектральная характеристика фотодиода.
Спектральная чувствительность определяется как отношение тока при данной длине волны к величине светового потока, то есть как по ур.(12). Но световой поток Ф при определении спектральной характеристики (13) поддерживается постоянным, поэтому спектральная чувствительность также будет пропорциональна длине волны:

Кф = Iф/Ф ~ 1/n ~ l. (14)


На самом же деле зависимость спектральной чувствительности от длины волны является более сложной, (рис.10). Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны.


Рис.11. Кривые спектральной чувствительности: и 1) германиевого, 2) кремниевого фотодиодов.
Спад фоточувствительности в области больших длин волн соответствует краю собственного поглощения материала фотодиода, когда энергия кванта hn примерно равна энергии ширины запрещенной зоны. При меньших энергиях фотон просто не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. Уменьшение чувствительности в области коротких волн по сравнению со значениями, даваемыми формулой (14), связано с тем, что при уменьшении длины волны световая энергия поглощается в более тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации носителей за счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Кроме того, следует учитывать, что в конструкции фотодиода имеется маленькая стеклянная линза, через которую свет фокусируется на поверхность полупроводника. При очень малых и больших длинах волн свет через стекло не проходит. Кроме того, световые потери связаны с фотоэлектрическим неактивным поглощением света: экситонным поглощением, образованием фотонов, поглощением с возбуждением внутренних переходов, прохождением части светового потока на большую глубину, вплоть до нижнего металлического электрода. Все эти потери могут зависеть от длины волны света.