Определение. Фотодиодом называют полупроводниковый диод, в котором под действием падающего на него светового потока образуются подвижные носители зарядов, создающие дополнительный ток (фототок) через обратно смещенный р-п переход.

Устройство. Одна из возможных конструкций фотодиода и схема его включения показаны на рис. 14-13, а и б. Круглая пластина n-германия, служащая базой, помещена в металлический корпус против окна, закрытого стеклом. Электронно-дырочный переход образован путем вплавления в пластинку германия капли индия. Таким образом, в фотодиоде этой конструкции световой поток направлен перпендикулярно плоскости р-п перехода. Возможно и другое расположение кристалла полупроводника, когда световой поток параллелен плоскости перехода.

В качестве активного элемента в фотодиодах могут использоваться электрические переходы различных типов: резкий симметричный р-п переход, p-i-n переход, электронно-дырочный переход с меняющийся по толщине эмиттера концентрацией примесей (переходе встроенным электрическим полем), переход металл — полупроводник (диод с барьером Шоттки), гетеропереход и др.

Принцип действия фотодиода базируется на физических процессах, протекающих в облученном переходе, которые рассматривались в § 14-5. В отсутствие светового потока (Ф = 0) в фотодиоде, под действием обратного напряжения, течет обратный ток, значение которого, как известно, определяется концентрацией неосновных носителей в полупроводниках, площадью перехода, физическими процессами в области запирающего слоя и т. д. Все эти вопросы подробно рассмотрены в § 11-3 — при обсуждении вольт-амперной характеристики реального полупроводникового • диода. Поскольку фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничем практически не отличается от полупроводникового диода, все рассмотрение, проведенное в § 11-3, справедливо и для зависимости I = f (U) фотодиода при условии, что Ф = 0. Эту зависимость для фотодиода часто называют темповой вольт-амперной характеристикой. '

При освещении фотодиода (Ф > 0) в его базе (пластине n—Ge в приборе, изображенном на рис. 14-13) под действием квантов света развивается процесс генерации пар зарядов. Наиболее интенсивен процесс генерации пар зарядов у внешней поверхности базы. Вновь образовавшиеся электроны и дырки диффундируют через толщу базы к р-п переходу. Дырки увлекаются контактным полем и выбрасываются в р-область, увеличивая таким образом плотность потока неосновных носителей через переход, а следовательно, и обратный ток в приборе. Для того чтобы вновь образовавшиеся дырки могли в большинстве своем достичь области р-п перехода, толщина базы должна быть меньше диффузионной длины дырок: w < Lp.

.

Вольт-амперные характеристики. Для определения зависимости тока, текущего через фотодиод, от приложенного напряжения воспользуемся полученным ранее соотношением (14-25):

С увеличением светового потока фототок с соответствии с (14-27) растет линейно, что и определяет эквидистантность характеристик при Ф > 0 и при условии, что = const.

Относительные спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиодов показаны на рис. 14-14, в. Образование пар зарядов при облучении фотодиодов обусловлено в основном собственным поглощением (см. § 14-1). Поэтому максимум спектральной характеристики приборов, выполненных из кремния, обладающего более широкой запрещенной зоной ()' соответствует меньшим значениям по сравнению с приборами на основе германия (^w 0,72 эВ). По этой же причине и длинноволновая граница для германиевых приборов лежит в области более длинных волн.

Уменьшение чувствительности в области коротких волн объясняется следующими причинами. В этой области коэффициент достаточно велик ( 10⁵ см~¹), фотоны поглощаются в основном вблизи наружной поверхности базы, где вероятность рекомбинации на поверхностных центрах весьма велика, и число неосновных носителей, приходящих к р-п переходу, уменьшается.

Инерционность фотодиодов обусловлена рядом факторов, среди которых важную роль играют время заряда емкости перехода, а также время диффузии носителей к переходу и время прохождения носителей через область объемного заряда в переходе. Если период модулирующих световой поток колебаний сравним с суммарным временем движения носителей, то процессы изменения тока в приборе как бы не успевают за быстрыми изменениями интенсивности светового потока. В результате с ростом частоты амплитуда переменной составляющей тока в нагрузке фотодиода уменьшается и увеличивается фазовый сдвиг между модулирующим световой поток колебанием и переменной составляющей тока в приборе. Можно показать [23], что при амплитуда тока уменьшается в раз по сравнению с ее значением на низкой частоте модуляции, а фазовый сдвиг превышает 70°, В фотодиоде рассматриваемой конструкции область объемного заряда в переходе достаточно узка и основное время движения носителей определяется диффузией дырок в базе (п — Ge) :. Поскольку в нашем случае в отличие от обычного полупроводникового диода дырки диффундируют из базы к переходу, время примерно в два раза превышает это значение, определяемое соотношением (9-121). Поэтому с учетом (14-23) можно записать:

Параметры фотодиодов. К числу параметров фотодиодов относятся прежде всего электрические величины, определяющие его режим работы: номинальное рабочее напряжение и максимально допустимое обратное напряжение . макс” значений которого гарантирует работу прибора вне области пробоя перехода. В качестве параметров фотодиодов используются те же величины, что и для фоторезисторов, так как фотодиоды, так же как и фоторезисторы, служат для формирования электрических сигналов под действием облучающего света и для обнаружения и регистрации световых сигналов. К этим параметрам относятся (см. § 14-4): чувствительность s, граничная частота /гр, пороговый поток и обнаружительная способность D.

Фотодиод с встроенным электрическим полем. Энергетическая диаграмма этого прибора приведена на рис. 14-15. Электронно-дырочный переход в таком фотодиоде создается путем диффузии акцепторных примесей в пластину м-полупроводника. При-этом концентрация примесей в базе неравномерна, величина ее уменьшается от поверхности базы по направлению к переходу. В результате тепловой ионизации акцепторных атомов оказывается неравномерной и концентрация дырок в базе, которые диффундируют к переходу, обнажая неподвижные отрицательные заряды ионизированных акцепторных атомов у поверхности базы. .В базе создается поле вектор напряженности которого направлен к поверхности базы. Образующиеся при облучении базы световым потоком носители зарядов разделяются этим полем. Движение электронов к переходу характеризуется теперь не только их диффузией, но и дрейфом в поле - Вследствие этого суммарное время движения электронов в базе уменьшается и /гр возрастает.

Фотодиод типа p-i-n может быть как германиевым, так и кремниевым. Отличие его заключается в том, что р- и n-области полупроводника разделены слоем i — собственного полупроводника. Таким образом, в приборе создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. Однако, если к фотодиоду приложено обратное напряжение такой величины, что области объемного заряда обоих переходов, простирающиеся в основном в i-слои, перекрываются (рис. 14-16), то образуется как бы один переход, запирающий слой которого лежит в i-области.

. (14-40)

Отсюда для частоты fгр ⁼ можно записать:

, (14-41)

Фотодиоды p-i-n, как и фотодиоды с симметричным р-п переходом, с успехом используются для обнаружения сигналов с частотами вплоть до 10 ГГц.

Достоинства фотодиодов этого типа заключаются также в больших допустимых обратных напряжениях и меньшей емкости перехода.

Фотодиод с барьером Шоттки. Устройство и энергетическая диаграмма этого диода показаны на рис. 14-17. На поверхности кристалла кремния нанесена тонкая (около 0,01 мкм) пленка золота, покрытая тонкой (около 0,05 мкм) пленка диэлектрика (сернистого цинка), образующей так называемое просветляющее покрытие. Вследствие различия коэффициентов преломления кpемния, золота и сернистого цинка луч света с определенной длш волны, отражаясь от границ раздела этих пленок, проникает с очень малыми потерями через металлическую пленку в кристалл кремния. Так, например, при прохождении светового потока, полученного гелий-неоновым лазером ( 0,63 мкм), теряется лишь 5% мощности.

Если энергия фотона hv > то в кристалле кремния, у его поверхности, наблюдается собственное поглощение. Образовавшиеся электроны дрейфуют в поле перехода, создавая фототек.

Лавинный фотодиод. На рис. 14-18 показано устройство кремниевого лавинного фотодиода с р-п переходом, изготовленного методами планарной технологии, а также платиново-кремниевого фотодиода с барьером Шоттки. В обоих приборах фоточувствительная область выполнена в виде круглого окна малого диаметра (40—60 мкм). Небольшие размеры этой области обусловлены одним из основных требований к прибору: лавинообразное размножение носителей должно возникать при некотором обратном напряжении во всем объеме кристалла вблизи облучаемой поверхности. При больших размерах фоточувствительной площадки трудно получить однородную по толщине и структуре тонкую (0,1—0,3 мкм) пленку n⁺—Si или PtSi на поверхности кристалла. В неоднородной пленке возможно образование микроучастков с пониженным напряжением лавинного пробоя, вследствие чего лавинное раз-мнржение носителей будет происходить лишь в небольшом объеме кристалла и плотность фототока существенно уменьшится.

Физические процессы в лавинном фотодиоде отличаются по сравнению с обычным фотодиодом дополнительным лавинным размножением генерированных светом носителей в запирающем слое электронно-дырочного перехода. Вследствие этого процесса ток внешней цепи фотодиода увеличивается по сравнению ^: с током обусловленным световой генерацией пар зарядов и темновым током, в М раз, где

М= (14-42)

Развитие лавины носителей того или иного знака определяется особенностями поглощения квантов света в приборе. Как отмечалось в § 14-2, значение коэффициента поглощения различно для разных длин волн. Для кремния при длине волны мкм, а при длине волны 0,85 мкм его значение снижается до 7-10² см-¹. Поскольку поглощение происходит в слое толщиной w , то в случае коротковолнового облучения (0,4 мкм) кванты света поглощаются в -р .диоде в приповерхностном кислое; через переход движутся неосновные носители — дырки и в результате развивается лавина дырок. В случае длинноволнового облучения основные акты поглощения протекают за переходом и, следовательно, в область объемного" заряда, создавая лавину, приходят электроны.

(14-43)

где — напряжение на переходе; R — последователное объемное сопротивление фотодиода.

(14-44)

Поскольку то для получения больших значений М - следует стремиться к уменьшению темнового тока , а также к снижению объемного сопротивления R. В лавинных фотодиодах с барьером Шоттки М достигает 30—35.

На основании (14-42) и (14-43), полагая сопротивление R малым и, следовательно, Uпер, можно получить выражение для вольт-амперных характеристик фотодиода (рис. 14-19):

(14-45).