Главная | Обратная связь

Вольтамперные характеристики ФД

На рис. приведено семейство ВАХ ФД при различных значениях светового потока, показывающее работу приемника в различных режимах. Семейство ВАХ расположено в 1,2, и 3 квадрантах.

Рис.

В квадранте 1 находится нерабочая область ФД, т.к. здесь к p-n – переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок.

В 3 квадранте находится фотодиодная область работы ФД. К p-n – переходуприкладывается обратное напряжение и фототок в этой области практически не зависит от величины обратного напряжения и величины нагрузки. Здесь, при заданном потоке Ф, ФД можно считать источником тока.

В 4 квадранте находится фотогальваническая область работы ФД. Значение фотоэдс U_ф в этом режиме работы ФД разное для разных типов ФД. Для кремниевого ФД U_ф = 0,50…0,55В.

Энергетические характеристики ФД

Они определяются зависимостями вида I_ф = f(Ф), где Ф – мощность потока излучения, приходящаяся на всю поверхность n – области. Число фотонов, приходящих на всю поверхность в единицу времени, определится как n = Ф/hv и величина фототока I_ф будет пропорциональна n.

В фотодиодном режиме зависимость I_ф = f(Ф) будет представлять собой прямую линию, т.к. в этом режиме все фотоносители будут доходить до p-n – перехода. В фотогальваническом режиме зависимость I_ф = f(Ф) при больших значениях Ф будет отличаться от прямой из-за роста падения напряжения на сопротивлении базы ФД.

На рис. приведены энергетическая характеристика ФД для фотодиодного режима.

 

Рис.

 

Спектральная характеристика ФДможет быть записана в виде

S_ф(λ) = I_ф/Ф = eηλ/hc₀ = kλ

и представляет собой зависимость фототока от длины волны падающего на ФД оптического излучения. На рис. приведены зависимости S_ф(λ) для двух типов ФД.

 

 

Рис.

 

Быстродействие ФД

Быстродействие ФД определяется:

1) Процессом разделения носителей заряда, возникающих при поглощении излучения полем p-n – перехода;

2) Емкостью p-n – перехода.

Разделение носителей полем p-n – перехода происходит после того, как электрон или дырка из места возникновения продиффундирует к p-n – переходу. Время диффузии носителей определяется из выражения

τ = w²/2D_p,

где w – толщина базы ФД, D_p – коэффициент диффузии дырок.

При w = 1∙10^-5м, D_p = 0,01м²/с (Si), τ = 0,5∙10^-8с = 5нс

Разделение носителей заряда полем p-n – перехода определяется временем пролета носителей через p-n – переход, которое определяется из выражения

t_пр = δ/v_max,

где δ – толщина p-n – перехода;

v_max – максимальная скорость дрейфа носителей.

При δ = 5∙10^-6м, v_max = 5∙10⁴м/с, t_пр = 1∙10^-10с = 0,1нс

Постоянная времени, определяемая емкостью p-n – перехода, имеет величину τ_с ≈ 1нс .

Из приведенных расчетов видно, что быстродействие ФД, в основном, определяется временем диффузии фотоносителей к p-n – переходу τ.

Для уменьшения τ необходимо уменьшать толщину базы w, однако существуют ограничения по минимальной толщине базы, связанные как с конструктивными особенностями так и с изменением барьерной емкости p-n – перехода.

 

P – i – n – фотодиоды

В быстродействующих ФП с полосой частот до нескольких гигагерц применяются ФД с p-i-n – структурой. Такой ФД состоит, как показано на рис. , из тонкой сильнолегированной p-области, слаболегированного i-слоя и сильнолегированной n-области. При приложении обратного напряжения сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i-область. Падающий на ФП свет вызывает появление фотоносителей в р-слое, которые достигают i-слоя, где ускоряются электрическим полем этого слоя до скорости дрейфа ≈ 10⁵м/с. Так как фотоносители за пределами обедненного i-слоя в p⁺ и n⁺ слоях движутся за счет диффузии, то их скорость движения ≈ 10²м/с оказывается на три порядка ниже скорости дрейфа. Этот диффузионный ток является причиной ухудшения быстродействия ФД.

Поскольку фотоносители перемещаются на расстояние диффузионной длины и рекомбинируют, то тем самым уменьшается квантовый выход. Для того, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода, необходимо, чтобы область поглощения света находилась в обедненном i-слое. Для этого при проектировании ФД с p-i-n – структурой делают p⁺-слой как можно тоньше, а толщину i-слоя выбирают больше, чем длина поглощения света χ₀. Длина поглощения для Si на длине волны λ = 0,8мкм составляет 10…20 мкм, а величина рабочего напряжения, необходимая для получения достаточно широкого обедненного слоя оказывается порядка 10…20 В.

ФД с p-i-n – структурой обладают чувствительностью порядка 0,5А/Вт, высоким быстродействием (постоянная времени порядка единиц наносекунд). Область спектральной чувствительности 0,5…1,2мкм.