Физические основы работы фотодиода.


Работа p-n-перехода в темноте.


Рассмотрим вначале фотодиод в отсутствии освещения. Это будет обычный полупроводниковый диод, работа которого заключается в следующем. На рис.2 показана зонная энергетическая диаграмма двух разных полупроводников, которые только что были приведены в контакт.


Рис.2. Зонная диаграмма двух полупроводников р- и n-типов в момент контакта.


Концентрация свободных электронов - n и дырок - p определяются энергетическими расстояниями от уровня Ферми до соответствующей зоны.

(1)

где Nc и Nv - эффективная плотность состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, Т - температура, k - постоянная Больцмана.
Например, чем ближе лежит уровень Ферми к дну зоны проводимости, тем больше будет концентрация электронов в зоне проводимости, тем меньше концентрация дырок в этом полупроводнике. В донорном полупроводнике основными носителями будут электроны, а неосновными - дырки, (n1 >> p1). В акцепторном полупроводнике основными носителями будут дырки, а неосновными - электроны (p2 >> n2). Однако, положение на Рис.2 является неравновесным.
Так как n1>>n2, то начинается диффузия электронов из полупроводника n-типа (на рис.2- слева) в полупроводник p-типа (справа) и дырок в обратном направлении (т.к. p2 >> p1). Обозначим соответствующие диффузионные потоки электронов и дырок как InD и IpD. В результате, вблизи границы раздела двух полупроводников произойдет разделение зарядов и возникнут объемные заряды Q1 и Q2 - Рис.3а. Положительный заряд Q1 образован нескомпенсированными (за счет ухода электронов) донорами и пришедшими сюда свободными дырками. Отрицательный заряд Q2 образован нескомпенсированными акцепторами (за счет ухода части дырок) и пришедшими сюда электронами. Объемный заряд создает электрическое поле (Рис.3б). По мере разделения зарядов электрическое поле растет, под действием этого поля возникают обратные дрейфовые (противоположные диффузионным) потоки носителей заряда: поток электронов, InE, справа налево и поток дырок, IpE, слева направо.


(Рис.3б).



Рис.3а. Образование вблизи границы раздела двух полупроводников объемных зарядов Q1 и Q2.



Рис.3б. Электрическое поле Е, созданное этими объемными зарядами. E=dj/dx

Рис.3в. Изменение потенциала вблизи границы j(x)

Когда эти потоки станут равными диффузионным потокам, разделение зарядов прекратится и наступит динамическое равновесие.
InE + IpE = InD + IpD (2)
Наличие электрического поля Е (рис.3б) приведет к тому, что ход потенциального потенциала будет иметь вид (рис.3в). Наклон этого графика равен напряженности поля. Дно зоны проводимости Еc(х) и потолок валентной зоны Еv(х) будут повторять ход потенциала j (х) (рис.4). В состоянии равновесия уровень Ферми F должен быть один и тотже во всей системе. Это значит, что сдвиг Еc и Еv друг относительно другу будет равен F1-F2 (рис.1). Высота потенциального барьера ,образованного на границе двух полупроводников будет, таким образом: j o=Еc1-Еc2=Еv1-Еv2=F1-F2
Область объемного заряда шириной L - это ширина образовавшегося p-n-перехода. Используя формулы (1), получим что в точках А и В внутри p-n-перехода концентрации основных носителей заряда будут значительно меньше чем, концентрации основных носителей заряда в p- и n- областях полупроводника. Проводимость полупроводника определяется концентрацией его основных носителей, поэтому проводимость в области p-n-перехода будет значительно меньше, чем в p- и n- областях полупроводника. Тогда все внешнее приложенное к полупроводнику напряжение будет падать в основном на p-n-переходе.


Рис.4. Зонная диаграмма контакта полупроводников p- и n- типов в равновесии.
Отметим, что если фотодиод в отсутствии освещения закоротить накоротко, то во внешней цепи ток не потечет, так как заряды разделенные за счет диффузии, не уйдут далеко от границы раздела - образованное этими зарядами поле остановит их, а ширина области разбегания зарядов равна L (рис.3а, рис.4).