на каком фотоэффекте основан принцип действия фотодиодов

Фотодиоды: принцип работы

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве элементов солнечной батареи. Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

Источник

Исчерпывающая информация о фотодиодах

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

Источник

Принцип работы фотодиода, схема и устройство фотодиода

Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.

Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.

Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.

У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.

Режимы работы фотодиодов

В результате накопления дырок и электронов соответственно в р-слое и в n-слое, образуется разность потенциалов – электродвижущая сила, которая создает обратный ток, от катода к аноду. Во внешней цепи ток будет от анода к катоду. То есть имеем солнечную электрическую батарею. В зависимости от того, как используется эффект превращения света в электрический ток, фотодиоды делятся на:

Pin-фотодиод

В наше время широко применяются волоконно-оптические системы связи. В них для преобразования света в электрический сигнал применяются pin-фотодиоды. Р и n слои фотодиода изготавливают при помощи легирования (добавления примесей в полупроводник). Плюс говорит о том, что легирование повышенное, то есть добавок больше, чем обычно).

Средняя часть фотодиода – i часть – слаболегированный проводник n-типа. При подачи обратного напряжения, в этом слое возникает обедненная область (мало дырок и электронов). Поэтому сопротивление этой части диода велико, намного больше, чем в р+ и n+ слоях. Как следствие, электрическое поле сосредоточено в и-области. Фотон поглощенный в и-зоне рождает пару: электрон и дырка.

Сильное поле i-области мгновенно разделяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон – анодом. Возникает электрический ток. Pin фотодиоды очень эффективны. Наибольшая частота, с которой они работают достигает 1010 герц. Что позволяет передавать терабайты информации за 1 секунду.

Как видим из рисунка, ширина и-слоя намного больше, чем ширина р+ и n+ слоев. Это сделано для того, чтобы фотоны поглощались бы в и-зоне, а не в соседних слоях.

Лавинный фотодиод

В волоконно-оптических системах связи помимо pin фотодиодов применяются лавинные фотодиоды (ЛФД).

ЛФД отличаются от ПИН фотодиодов наличием дополнительного р-слоя. Количество легирующих примесей подбирается так, что наибольшее сопротивление имеет р-слой. Это приводит к тому, что наибольшее падение напряжения происходит в р-слое. Фотон попадая в светочувствительный i-слой выбивает электрон, который устремляется к аноду. Соответствующая электрону дырка движется к катоду.

Электрон на своем пути попадает в зону высокого напряжения р-слоя. Здесь скорость электрона резко возрастает и становится достаточной для выбивания с внешней орбиты атомов р-слоя других электронов. Новые свободные электроны в свою очередь сбивают с валентных слоев дополнительные электроны. Процесс нарастает лавинообразно. Поэтому этот тип фотодиодов называется лавинным.

На рисунке показано резкое усиление электродвижущей силы в зоне р-слоя. Первичный ток, возникший в и-слое, лавинообразно усиливается в р-слое. Коэффициент умножения может достигать нескольких сотен. Слишком большое умножение приводит к большим шумам, которые увеличиваются быстрее сигнала. Оптимальный коэффициент умножения находится в пределах от30 до 100.

Основные характеристики фотодиодов

Мы рассмотрели физические аспекты работы фотодиодов. Чтобы до конца разобраться в том, что такое фотодиод необходимо ознакомиться с его математическим описанием. Главные характеристики фотодиодов: вольтамперная, световая и спектральная. Рассмотрим ВАХ:

Мы видим семейство кривых, характеризующих зависимость тока, проходящего через фотодиод от приложенного напряжения. Каждая кривая соответствует различным потокам излучения (светового или инфракрасного). Кривая Ф=0 характеризует функционирование фотодиода в темноте. Все кривые не заходят во II четверть. Рабочая область III четверть.

Очень интересный факт, заключается в том, что в III четверти сила тока почти не зависит от приложенного обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Она зависит от величины светового потока. Чем больше поток, тем больше сила тока. Уравнение зависимости обратного напряжения от силы тока имеет вид:

Где Еобр – разность потенциалов источника обратного напряжения;

U – обратное напряжение на фотодиоде;

Iф– фототок (ток нагрузки);

R – резистор нагрузки.

Мы видим, что фотодиод в рабочей четверти является источником тока во внешней цепи.

I четверть – нерабочая зона фотодиода. Здесь приложено к нему прямое напряжение. Диффузный ток подавляет фототок.

В IV четверти фотодиод работает, как фотогальванический элемент. Точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует значению ЭДС, возникающей при отсутствии тока в цепи. То есть при R= ∞. У кремниевых фотодиодов Uх при разных потоках Ф равно приблизительно 0,5в.

Точка пересечения кривых с осью ординат показывает ток короткого замыкания. То есть ток при R=0.

Заштрихованная область показывает оптимальный режим для потока Ф1.

Источник

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е_ф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

Напряжение и ток на нагрузке R_н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R_н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Источник

5.1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОДИОДЫ (ФД)

Функция детектора волоконно-оптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприёмника. Предназначенный для этих целей фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума.
Поэтому основными требованиями к фотодетектору являются:

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полу-проводниковые фотодиоды.
Фотоэлектрическое преобразование позволяет осуществлять дальнейшую обработку информации на основе электронных схем, возможности которых при всех прочих равных условиях ограничены соотношением сигнала к шуму на входе электронного тракта, следующего за фотодетектором. Селективные фотоприёмники позволяют увеличить объём передачи информации на нескольких близких несущих частотах. Ширина полосы спектральной чувствительности фотоприёмников Δλ, определяющая их селективность, должна совпадать с шириной полосы источников излучения.
В полупроводниковых фотоприёмниках иcпользуют две формы внутреннего фотоэффекта:

Для создания чувствительных и быстродействующих фотодетекторов можно использовать как внешний, так и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект используется в вакуумных приборах – фотоэлементах, когда падающий на катод свет вызывает эмиссию электронов. При внутреннем фотоэффекте (но только при фотовольтаическом эффекте) в области p-n-перехода полупроводника образуются носители заряда внутри полупроводника.

5.1.1 Принцип действия фотодиода

Рисунок 5.1 – Процесс перехода электрона в зону проводимости

Для регистрации потока фотонов необходимы условия, при которых электронно-дырочные пары не рекомбинируют за счёт перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются внутренним электрическим полем перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в прилегающих полупроводниках n- и p-типа, соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обеднённым слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а среднее время, за которое созданная электронно-дырочная пара рекомбинирует, может быть сделано большим.
Процессу разделения подвергаются носители заряда, генерируемые в обеднённой области перехода и прилегающей к ней областях размером, примерно равным диффузионной длине неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего диффузионной длины, неосновной носитель в процессе движения успевает пересечь границу перехода за время жизни.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода. На рисунке 5.2 показана зонная диаграмма энергетических уровней электрона при обратном смещении.

Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U

Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.
За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и перемещает носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В конечном итоге напряжение смещения U определяет скорость их движения через обеднённую область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролёта частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все электронно-дырочные пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока. Те носители, которые достигают обеднённой области быстро проходят её под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешней цепи. Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным диффузионным движением носителей по направлению к обеднённой области.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения

где Р – оптическая мощность;
E_ф– фото-ЭДС;
e – заряд электрона.
На практике, конечно, часть падающего света отражается.

5.1.2 «Красная граница» фотоэффекта

При выборе ФД для ВОЛС необходимо учитывать зависимость его спектральной чувствительности от длины волны λ источника света. Выбранный ФД сохраняет способность реагировать на оптическое излучение до тех пор, пока энергия фотонов, составляющих это излучение, достаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (рисунок 5.3).

а–при «зона – зонном» возбуждении; б–в результате возбуждения с участием донорных и акцепторных уровней; в–при внутризонных переходах
Рисунок 5.3 – Зонная структура, иллюстрирующая процессы поглощения при различных возбуждениях

Для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия фотона, поэтому каждый тип фотоприёмника имеет длинноволновую границу, определяемую выбранным материалом

где E_з[эВ]=E_п-E_в – ширина запрещенной зоны, или энергетический зазор при переходе «зона–зона» или «примесный уровень–зона».
Выражение (5.3) определяет так называемую «красную границу» λ_пор для ФД, выполненного из полупроводникового материала. При λ>λ_пор он не реагирует на оптическое излучение.
Основным видом фотопроводимости является собственная фотопроводимость, обусловленная внутренним фотоэффектом, при котором изменение электропроводности происходит вследствие оптического возбуждения носителей заряда из связанных состояний в свободные и соответственного увеличения концентрации электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне.
Фотопроводимость может возникнуть так же за счёт оптических переходов между двумя связанными состояниями (примесная фото-проводимость). Примесная фотопроводимость может быть индуцирована в полупроводнике при освещении его коротковолновым светом соответствую-щей области собственного поглощения. Это явление может наблюдаться в полупроводнике, содержащем донорные и акцепторные примеси.
Как правило, собственная фотопроводимость значительно сильнее примесной. Поэтому «красная граница» определяется шириной запрещённой зоны применяемого полупроводника.
Поглощение приводит к экспоненциальному уменьшению мощности излучения

где х – глубина поглощения;
α – коэффициент поглощения, характеризующий материал.

Для изготовления ФД часто используют кремний (Si), германий (Ge) и комбинированные соединения типа InGaAs. Кремниевые ФД имеют «красную границу» в области λ = 1мкм и поэтому редко используются в ВОЛС, в которых наиболее часто применяют источники света с длиной волны λ = 1,3мкм и λ = 1,55мкм. В последнее время, благодаря новейшим достижениям в области технологии, получили широкое применение приборы на основе комбинированных соединений. Их характеристики оптимизируются специально для использования совместно с определённым типом волоконного световода и источником. Широко применяется полупроводник типа InGaAsP в спектральном диапазоне 0,98 – 1,6мкм для создания высокоскоростных ФД.

5.1.3 Вольт-амперные характеристики ФД

На рисунке 5.4 показаны вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.

Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

5.1.4 p-n-фотодиод

Схема фотодиода p-n-типа приведена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 – Процесс образования носителей тока в p-n-фотодиоде

Диод имеет обеднённую область, образованную неподвижными положительно заряженными атомами донора в n-области перехода и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцептора в р-области, а также область поглощения падающего света.
Ширина обёдненной области зависит от концентрации легирующих примесей: чем меньше примесей, тем шире обеднённый слой. Положение и ширина поглощающей области зависит от длины волны падающего света и материала, из которого изготовлен фотодиод. Чем сильнее поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Когда поглощаются фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и образуются электронно-дырочные пары. Если такие пары создаются в обеднённой области, то электроны и дырки под влиянием сильного поля в этой области будут быстро дрейфовать в обе стороны (электроны в n-слой, а дырки в p-слой) и в цепи смещения возникнет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обеднённой области, то дырка вначале диффундирует в направлении градиента концентрации, а уже затем попадёт на внешний контакт. Так как процесс диффузии по сравнению с дрейфом происходит медленнее, то желательно, чтобы большая часть света поглощалась в обеднённой области. Увеличение этой области достигается уменьшением концентрации легирующей примеси в n-слое. Слабо легированный n-слой можно считать теперь собственным, т.е. i-слоем (от англ. intrisic – собственный). Если теперь добавить сильно легированную n-область, то получим известную p-i-n-структуру.

5.1.5 р-i-n-фотодиод

На практике используется два типа фотодиодов. Первый из них – p-i-n-фотодиод – получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован. На рисунке 5.6 приведена структура продольного сечения такого устройства, на котором обозначены:

Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) N_р на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой);
3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) N_n на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника;
4 – изолирующий слой SiO₂;
5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1;
6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение;
7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.

Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

ФФД при фотовольтаическом эффекте может быть представлен эквивалентной схемой, в которой этот процесс учитывается введением ёмкости перехода C_Д (рисунок 5.8). Она шунтирует активное сопротивление перехода R_Д и, в конечном итоге, определяет быстродействие фотоприёмника.

Рисунок 5.8 – Эквивалентная схема фотодетектора

Рассмотренный p-i-n-фотодиод работает при напряжениях смещения U меньше пробивного напряжения U_пр

5.1.6 Лавинный фотодиод

Предельная чувствительность p-i-n-фотодиода определяется хаотическими флуктуациями напряжения и тока на выходе, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него. В случае p-i-n-диода – это тепловой и дробовой шум и шум темнового тока. Значительного увеличения пороговой чувствительности можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на лавинном умножении носителей, так как в этом случае возникает внутреннее усиление. Конечно, при этом умножатся шумы диода, но суммарный эффект останется положительным, Такое умножение можно получить в лавинном процессе при высоких значениях электрического поля в лавинном фотодиоде. Структура продольного сечения ЛФД показан на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – Структура продольного сечения ЛФД

Рисунок 5.10 – Процесс образования носителей тока в ЛФД, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

5.1.7 Параметры фотодиода

а) Квантовая эффективность η.
Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению электроно-дырочной пары. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток, или так называемой квантовой эффективностью (квантовым выходом) фотодетектора.
Квантовой эффективностью (выходом) фотодиода называется отношение числа рождающихся в секунду электронов к числу фотонов, падающих на ФД:

где I_ф – фототок;
e – заряд электрона;
h – постоянная Планка;
ν – частота излучения;
P – мощность оптического излучения.
Таким образом, средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

На рисунке 5.11 приведена зависимость квантовой эффективности η для германиевого и кремниевого ФД от длины волны λ.

Рисунок 5.11 – Зависимость квантовой эффективности от длины волны для германиевого и кремниевого фотодиодов

Для образования электронно-дырочной пары энергия hν поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. должно выполняться условие hν ≥ E_з.
Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длинах волн короче 1,8мкм, из кремния – при длинах волн короче 1,2мкм, из арсенида галлия – до 0,87мкм.

б) Токовая чувствительность (монохроматическая) S.
Токовая чувствительность S (А/Вт) определяется как

где I_ф – фототок (А);
P(λ) – полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт).

С учётом того, что I_ф = eηP/(hν), получаем

Отсюда следует, что чувствительность тем выше, чем больше квантовый выход η, т.е. чем больше доля светового потока используется для создания электронно-дырочных пар.
Токовая чувствительность характеризует фотоприёмник при низких частотах модуляции.

в) Темновой ток I_T.
При обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения протекает темновой ток I_T(нА). Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотодетектора. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.
Значения этого тока утечки достигает единиц наноампера.

г) Время нарастания τ_нар (спада τ_спад).
Это самая важная динамическая характеристика ФД. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (снизиться от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от структуры ФД, материала, напряжённости электрического поля в слаболегированной области и температуры. Максимальная из двух величин (обычно τ_нар) берётся в качестве характеристики времени отклика ФД. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.
На полосу пропускания или скорость передачи влияют, главным образом, времена нарастания и спада. Различные ФД могут очень сильно отличаться по быстродействию (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Типовые характеристики фотодетекторов

Наиболее быстрыми являются p-i-n-ФД. У ЛФД увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с p-i-n-ФД.

д) Шумы ФД.
Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Шум является неустранимым эффектом, который серьезно ограничивает чувствительность детектора.
Как известно в основе работы детектора лежит генерация электрического тока, обусловленная падающими фотонами. От него требуется улавливание даже очень слабого оптического сигнала и генерация заметного электрического тока. Однако в действительности электрический сигнал может быть достаточно слабым.
Сигнал несёт полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Хотя, шум присутствует во всех частях коммуникационной системы, особенно важен его уровень на входе в приёмное устройство. Причина в том, что приёмное устройство работает со слабым сигналом, потерявшим свою первоначальную мощность при передаче. Поэтому, шум становится заметным на фоне слабого сигнала. Того же уровня шум в передающем устройстве обычно не существенен, поскольку здесь уровень сигнала намного выше. Итак, шум оказывает существенное влияние на порог чувствительности детекторов. Слишком слабый оптический сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал.
В процессе усиления в приёмном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров.
Различают следующие виды шумов.

где е – заряд электрона;
I_фср – среднее значение (постоянная составляющая) фототока (включая фоновый ток и ток сигнала);
Δf – ширина частотной полосы приёмника.
Из уравнения (5.12) видно, что дробовой шум увеличивается при росте тока и ширины полосы. Дробовой шум минимален, когда присутствует только фоновый ток и растёт при возникновении тока, возбуждаемого оптическим сигналом. Детектор с уровнем фонового тока 2нА, работающий в частотной полосе 10МГц, имеет дробовой шум на уровне 80пА:

Тепловой шум. Тепловой шум возникает благодаря флуктуациям сопротивления детектора. Электроны в пространстве между электродами ведут себя хаотично. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного теплового движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток, изменяющий сигнал. Тепловой ток задаётся выражением

Тепловой и дробовой шумы в ФД определяются структурой вещества и могут быть уменьшены при улучшении устройства детектора, но избавиться от них полностью невозможно. Любой сигнал – оптический, электрический или звуковой – обязательно существует совместно с шумом. После приёма, на стадии следующей после детектирования, происходит усиление сигнала совместно с шумом. Таким образом, сигнал должен быть существенно больше шума. Если амплитуда сигнала равна амплитуде шума, то это следствие плохого детектирования. При адекватном детектировании амплитуда сигнала должна минимум в два раза превосходить амплитуду шума.

Шумы темнового тока. Ранее было отмечено, что даже при отсутствии падающего на фотодиод излучения (Р=0) через ФД протекает темновой ток. Его характер также случаен и он является дополнительным источником шума, который подобен квантовому. Величина среднеквадратичного значения шумовой составляющей темнового тока I_шT определяется его средним значением I_T следующим образом:

Фотодетектор с уровнем темнового тока 10нА, работающий в полосе 10МГц, имеет шум темнового тока

Таким образом, полный шумовой ток определяется как среднее квадратичное дробового, теплового и темнового тока:

Источник