Главная | Обратная связь

Основные сведения о полупроводниковых фотодиодах

 

Фотодиоды в настоящее время являются наиболее распространенными приемниками излучения. Основным элементом фотодиода является р‑n‑переход, наличие потенциального барьера и внутреннего электрического поля в котором создает благоприятные условия для пространственного разделения носителей заряда, созданных в результате фотоактивного поглощения света. Это позволяет использовать фотодиодные структуры как для детектирования электромагнитного излучения оптического диапазона, так и для генерирования фото-ЭДС и преобразования оптической мощности в электрическую.

Рассмотрим p-n-переход, на который со стороны p-области падает оптическое излучение с энергией фотонов ħω, как это показано на рис. 1.1. Будем считать, что коэффициент поглощения kωв полупроводнике не очень велик и свет глубоко проникает в структуру, достигая области объемного заряда и n-области. В этом случае в соответствии с законом Бугера–Ламберта в каждой из областей фотодиодной структуры будет происходить поглощение фотонов с энергией ħω > Eg. Электроны, находящиеся в валентной зоне, в результате квантовых переходов с поглощением фотона будут переходить в свободное состояние в зоне проводимости, а на их месте в валентной зоне появятся дырки, т. е. будет происходить процесс генерации электронно-дырочных пар (внутренний фотоэффект). У фотонов с ħω < Egбудет недостаточно энергии для генерации пар, и фотоактивного поглощения происходить не будет.

Если поглощение фотона произошло в p- или n-области далеко от области объемного заряда, то для сгенерированных неравновесных носителей будет очень высока вероятность рекомбинации. В области объемного заряда p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле Е, под воздействием которого свободные носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны – против поля в n-область, а дырки – по полю в p‑область (процесс 1 на рис. 1.1). Однако толщина слоя объемного заряда обычно очень мала, поэтому вероятность поглощения фотона в этой области также незначительна. Генерация светом избыточных носителей заряда происходит в основном в областях, непосредственно примыкающих к p-n-пере­ходу (процессы 2 и 3). Эти избыточные носители заряда диффундируют к области объемного заряда. Если генерация произошла на расстоянии меньшем, чем диффузионная длина Lnили Lpдля неосновных носителей заряда, то они успеют дойти до p-n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями. В области объемного заряда неосновные носители подхватываются полем и выбрасываются в противоположную область структуры. Созданные светом и разделенные p-n-переходом избыточные носители заряда накапливаются в разных областях, при этом p-область будет заряжаться положительно, а n‑область – отрицательно.

Таким образом, под действием света в p-n-переходе происходит разделение носителей заряда и в режиме холостого хода в фотодиоде возникает разность потенциалов Uхх. При замыкании контактов через нагрузку будет течь фототок Iф, пропорциональный скорости генерации G избыточных электронно-дырочных пар в области, ограниченной диффузионными длинами неосновных носителей заряда. Этот фототок будет изменять (уменьшать) контактную разность потенциалов, вследствие чего через переход начнет проходить ток в прямом направлении, значение которого

,

(1.1)

где IS– ток насыщения, который создается свободными носителями заряда, генерируемыми за счет теплового возбуждения.

Фототок обусловлен неосновными носители заряда, поэтому он совпадает по направлению с обратным током р-n-перехода. Можно считать, что величина фототока практически не зависит от приложенного напряжения. Тогда вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода (1.1) при освещении имеет вид:

(1.2)

Это общее уравнение фотодиода. ВАХ р-n-перехода в отсутствие освещения (G =0) и при воздействии света (G >0) представлена на рис.1.2. В случае разомкнутой цепи (режим холостого хода) фотоЭДС Uххопределяется из (1.2) при I =0:

.

(1.3)

Из (1.2) при U =0 (режим короткого замыкания) находим, что ток короткого замыкания равен фототоку:

Iкз = Iф.

(1.4)

Фотодиод может использоваться в двух режимах работы – фотодиодном и вентильном (режиме генерации фотоЭДС). В первом случае на диод подается обратное напряжение, и ток через структуру является функцией интенсивности света. Фотодиодному режиму соответствует третий квадрант вольт-амперной характеристики (рис. 1.2). В этом режиме фотодиод работает как фотодетектор и используется для регистрации электромагнитного излучения с длиной волны, лежащей внутри диапазона чувствительности фотоприемника. Зависимость фототока от величины светового потока Ф для такого режима работы является линейной. Аналогичная зависимость наблюдается для фототока короткого замыкания Iкз.

В вентильном режиме фотодиод сам используется в качестве источника напряжения или тока. Такому режиму соответствует второй квадрант ВАХ. При этом фотодиод нагружен на сопротивление R, ток и напряжение находят из общего уравнения фотодиода (1.2)

,

(1.5)

где IR = UR/R.

В вентильном режиме фотодиод работает как преобразователь оптической энергии в электрическую. Мощность, снимаемая с фотодиода, определяется площадью квадрата, ограниченного IRи UR(рис. 1.2). Этот режим
используется при работе солнечных батарей. В режиме генерации фотоЭДС на зависимость фототока от величины светового потока Ф существенное влияние оказывает величина нагрузочного сопротивления R.

Величина фотоотклика, возникающего в фотодиоде при освещении его излучением Ф мощностью P, определяется квантовой эффективностью, или квантовым выходом, представляющим собой число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесенное к числу падающих фотонов

,

(1.6)

где Jф– плотность фототока, А – площадь освещаемой поверхности фотодиода. Однако обычно сравнительным критерием качества фотодиодов является чувствительность, которая определяется как отношение фототока к величине светового потока:

.

(1.7)

Чувствительность связана с квантовым выходом фотодиода (1.6)

.

(1.8)

Спектральная зависимость чувствительности является одной из важнейших характеристик фотодиода. Рассмотрим р-n-переход, освещенный со стороны р-области. Если толщина этой области меньше диффузионной длины для электронов (d < Ln), то все фотогенерированные в р-слое носители заряда дойдут до р-n-перехода и дадут вклад в фотоэффект. При малых значениях (ħω – Eg) фототок пропорционален показателю поглощения, и при kω < 1/dспектральная зависимость фототока будет определяться спектром поглощения. При продвижении в коротковолновую область при ħω > Egпоказатель поглощения быстро возрастает, и в случае kω >> 1/dпрактически все излучение будет поглощаться в р-области. Дальнейшее увеличение kωне приводит к росту фототока.

Если толщина р-области больше диффузионной длины Ln(d > Ln), то при увеличении kωвсе большая часть излучения будет поглощаться вдали от p-n-перехода и все меньшая часть генерированных неосновных носителей заряда достигать области объемного заряда. Поэтому при d > Lnв спектрах фотоЭДС и фототока будет наблюдаться максимум.

 

1.2. Описание установки

 

Схема установки для исследования характеристик фотодиодов представлена на рис. 1.4. Излучение от светодиода 1, подключенного к блоку питания, проецируется на фотодиод 2. Фототок измеряется с помощью амперметра, а напряжение на фотодиоде контролируется дополнительным вольтметром. Измерения могут проводиться как без подачи напряжения смещения на фотодиод (вентильный режим), так и в фотодиодном режиме.

 

 

Рис. 1.4. Блок-схема для исследования характеристик фотодиода

 

Вольтамперные характеристики фотодиода измеряются как без освещения (светодиод отключен), так и при различных мощностях излучения, падающего на фотодиод. Напряжение смещения подается от блока питания для измерения ВАХ. Изменение величины светового потока производится путем регулирования прямого тока, пропускаемого через светодиод. Для измерения нагрузочных характеристик используется набор резисторов с разными величинами сопротивления.

1.3. Исследование полупроводникового фотодиода.
Проведение измерений

 

1. ВАЖНО! Используемые в работе источники питания могут обеспечить широкий диапазон подаваемых напряжений и токов, значительно превышающий допустимые параметры как для светодиода, так и для фотоприемника. Во избежание выхода установки из строя при регулировании значений смещения следует пользоваться только ручкам "FINE" ("Точно") на обоих блоках питания. Блок питания для измерения ВАХ должен быть соединен с дополнительным амперметром, тогда как блок питания светодиода работает отдельно.

2. Убедиться, что ручки регулирования тока на блоке питания светодиода находятся в крайних положениях против часовой стрелки. Включить блок питания светодиода. Убедиться, что блок находится в режиме стабилизации по току (горит красный светодиод на блоке). Во время работы ток не должен превышать 100 мА. В случае неправильной настройки блока следует позвать преподавателя.

3. Убедиться, что ручки регулирования напряжения на блоке питания для измерения ВАХ находятся в крайних положениях против часовой стрелки. Включить блок питания ВАХ. Убедиться, что блок находится в режиме стабилизации по напряжению (горит зеленый светодиод на блоке). Включить вольтметр и амперметр. Значения тока и напряжения на блоке питания не соответствуют истинным параметрам для фотоприемника. Задаваемое напряжение следует контролировать на дополнительном вольтметре. Значение напряжения на этом вольтметре не должно превышать 1 В.

4. Исследовать вольт-амперную характеристику фотодиода без освещения. Выключить питание светодиода (установить ток светодиода равный нулю, либо выключить БП СИД). Убедиться, что установлено значение нагрузочного сопротивления фотодиода Rн = 0 кОм. Измерить обратную ветвь темновой ВАХ фотодиода, изменяя напряжение на блоке питания ФД от 0 до –1 В через 0,2 В (значение напряжения следует контролировать по дополнительному вольтметру). Поменять положение электрических контактов на блоке питания ФД на противоположное, и измерить прямую ветвь ВАХ при тех же напряжениях.

5. Исследовать вольт-амперную характеристику фотодиода при различных освещенностях чувствительной площадки. Изменять ток на блоке питания светодиода от 20 мА до 100 мА через 20 мА и при каждом токе измерить ВАХ аналогично п. 4.

6. Исследовать зависимость фототока короткого замыкания Iкзот величины светового потока, изменяя значение тока на светодиоде от 0 мА до 100 мА через 10 мА. При этом напряжение на блоке питания ФД должно быть равно нулю (либо блок питания ФД выключен).

7. Исследовать зависимость Uххот величины светового потока при тех же значениях тока, протекающего через светодиод, при которых снималась аналогичная зависимость для Iкз. При измерении напряжения холостого хода необходимо, чтобы Rн = ∞, а величина тока в цепи фотодиода равнялась нулю.

8. Установить Rн = 10 кОм. Измерить световую характеристику фотодиода (Iф = f(Ф)) в вентильном режиме работы (при напряжении смещения на фотоприемнике U = 0 В) и в фотодиодном режиме (включение соответствующее измерению обратной ветви ВАХ, U = –1 В). Значение тока на светодиоде изменять от 0 мА до 21 мА через 3 мА.

9. Исследовать нагрузочные характеристики фотодиода в вентильном режиме работы. Установить ток светодиода 20 мА. Изменяя сопротивление нагрузки Rн, измерить значение тока в цепи фотодиода и напряжения на фотодиоде при каждом значении сопротивления.

 

1.4. Обработка результатов и содержание отчета

 

В отчете должны быть представлены:

1. Цель работы.

2. Схема измерительной установки.

3. Вольт-амперные характеристики фотодиода, измеренные в темноте и при различных освещенностях, изображенные на одном графике.

4. Световые и нагрузочные характеристики фотодиода.

5. Результаты определения из ВАХ фотодиода квантового выхода с использованием (1.6). Мощность излучения светодиода считать равной 1 мВт, а длину волны – 720 нм.

6. Расчет чувствительности фотодиода с использованием (1.7).

7. Расчет величины ISиз выражения (1.3) с использованием экспериментальных значений Uххи Iкзпри одинаковых значениях светового потока. Сравнить полученное значение с величиной IS, полученной из вольтамперной характеристики неосвещенного фотодиода.

8. Результаты определения из нагрузочных характеристик Rн, при кото­ром мощность фотодиода в вентильном режиме работы будет максимальной.

 

1.5. Контрольные вопросы

 

1. Каковы физические основы работы фотодиодов?

2. Чем определяется спектральная чувствительность фотодиода?

3. Чем различаются вентильный и фотодиодный режимы работы фотодиода?

4. Какую максимальную мощность, снимаемую с фотодиода, можно получить в вентильном режиме работы?

5. Пояснить влияние изменения сопротивления нагрузки на фотоэлектрические характеристики фотодиода.

6. Какие физические явления определяют инерционные свойства фотодиодов?

7. Как влияют сопротивление нагрузки и величина напряжения, приложенного к фотодиоду, на инерционные свойства фотодиода?

8. Указать основные области применения полупроводниковых фотодиодов.

9. Что такое p-i-n-фотодиоды и лавинные фотодиоды? В чем их преимущества и недостатки?

10. Какие фотоприемники используются в волоконно-оптических линиях связи?