Глава 5. фотодетекторы

5.3 Основные принципы работы p-n фотодиода

При попадании кванта света, с энергией hV в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

Так, например, в NGaAs с легирующей концентрацией 10¹⁴, концентрация основных носителей электронов составляет 10¹⁴sm^-3, а концентрация неосновных носителей – дырок – 1sm^-3. Поэтому, если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 10¹⁰ неравновесных носителей, то проще  зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

(5.3.1)

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

(5.3.2)

Поскольку

(5.3.3)

То величина фототока будет:

(5.3.4)

где G темп генерации неравновесных носителей.

(5.3.5)

Здесь h–квантовый выход, a – коэффициент поглощения и φ – падающий световой поток.

Рисунок 5.4 Вольтамперная характеристика фотодиода.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной области p-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры диффузионная длина L_p порядка 100мкн, а ширина обедненной области p-n перехода 1мкн. Поэтому, основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики pn-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.