2.3. P‑I‑n фотодиод

Указанные недостатки фотодиода на основе p‑n перехода устраняются в фотодиодах, где между p‑ и n‑областями расположен i‑слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой (W >> L_p) с тем, чтобы поглощение света происходило в этой области. Поскольку в i‑слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p‑n перехода все приложенное напряжение будет падать на i‑слое. Фотогенерированные носители в i‑слое будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым. На рисунке 8 приведена конструкция и энергетическая диаграмма, иллюстрирующая принцип работы p‑i‑n фотодиодов.

Рис. 8. Принцип работы p‑i‑n фотодиода:

а – поперечный разрез диода; б – зонная диаграмма в условиях обратного смещения; распределение интенсивности излучения

2.4. Вах фотодиода на основе p-n переходов при освещении с внешним напряжением

Уравнение для активного режима работы фотодиода при наличии V_G принимает вид:

. (8)

В отсутствии внешнего источника V_G, это напряжение на нагрузочном сопротивлении R включено на выход фотодиода и обусловлено фототоком при освещении фотодиода. Рассмотрим два частных случая уравнения (8).

Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи ( ), для случая, когда внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину V_G называют напряжением холостого хода V_ХХ. Из уравнения (8), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J_ф и тока нагрузки J_s рассчитать напряжение холостого хода V_XX:

. (9)

Напряжение V_ХХ (фото‑ЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p‑n перехода.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотодиода V_G = 0. Тогда из уравнения (8) следует, что ток короткого замыкания J_кз во внешней цепи равен фототоку J_Ф:

. (10)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J_Ф.

На рис. 9 показано семейство ВАХ фотодиода как при отрицательной, так и при положительной поляризации фотодиода, рассчитанные по уравнению (8). При положительных напряжениях V_G ток фотодиода быстро возрастает (пропускное направление) с увеличением нап­ряжения. При освещении же общий прямой ток через диод уменьшается, так как фототок направлен противоположно току от внешнего источника.

Рис. 9. Семейство вольт‑амперных характеристик фотодиода

ВАХ p‑n перехода, располагаясь во II квадранте, показывает, что фотодиод можно использовать как источник тока. На этом основан принцип работы солнечных батарей на основе p‑n переходов.

2.5. Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока J_Ф от светового потока Ф, падающего на фотодиод. Сюда же относится и зависимость V_XX от величины светового потока. Количество электронно‑дырочных пар, образующихся в фотодиоде при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотодиод. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

, (11)

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода.

В фотодиодном режиме, как следует из уравнения (7), ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения V_G.

Рис. 10. Световая характеристика фотодиода

Коэффициент пропорциональности К в уравнении (11) получил название интегральной чувствительности фотодиода.