4.4. Фотодиоды

Фотовольтаический эффект возникает при поглощении света полупроводником при одновременной генерации подвижных носителей - электронов и дверок. Эти носители разделяются в пространстве. Причиной разделения носителей может быть электрическое поле приэлектродного барьераШоттки на контакте "металл-полупроводник", р-п перехода или гетероперехода.

Наиболее эффективное разделение носителей заряда проис­ходит в слое объемного заряда р-п перехода. Поэтому в таких структурах, называемых фотодиодами, фотовольтаический эф­фект проявляется наиболее сильно.

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. Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах, поэтому он находит широкое применение во многих областях.

Рассмотрим р-п переход, на который падает оптическое излучение с энергией фотонов ћω > Е_g, приводящее к образованию электронно-дырочных пар. Если поглощение фотона происходит в области объемного заряда р-п перехода (процесс 1 на рис. 4.5), то под воздействием внутреннего поля перехода носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны будут стремиться в п-область, а дырки соответственно в р-область. Вероятность этого процесса мала, потому что толщина объемного слоя невелика.

Основная часть носителей генерируется в областях, примыкающих к р-п-переходу (на рис. 6.1 они обозначены как процессы 2 и 3). Эти избыточные носители заряда диффундируют к области р-п перехода. Если генерация происходит на расстояниях меньше диффузионной длины электронов L_n и дырок L_p, то сгенерированные неосновные носители дойдут до р-п перехода, не рекомбинируя с основными носителями этих областей.

Рис. 4.5. Схема процессов, происходящих в р-п переходе под воздействием света

Предположим для определенности, что основные акты поглощения происходят в толще p-полупроводника, недалеко от его поверхности. В p-полупроводнике, таким образом, создается неравновесная концентрация зарядов обоих знаков, которые и диффундируют по направлению к области с меньшей концентрацией, т. е. к запирающему слою. Достигнув этого слоя, электроны увлекаются контактным полем и перебрасываются в n-область, где они являются основными носителями. Дырки тормозятся контактным полем и остаются в р-области. Таким образом, по обе стороны запирающего слоя увеличивается концентрация основных носителей зарядов. В результате разделения носителей р-область будет заряжаться положительно, а п-область - отрицательно.

Объемный заряд этих основных носителей частично компенсирует заряды ионизированных атомов примесей в запирающем слое, и потенциальный барьер на переходе снижается. Условие равновесия нарушается, и через переход возникает диффузионный ток основных носителей. Новое равновесное состояние будет соответствовать меньшей величине потенциального барьера, при которой поток неосновных носителей через переход, возникающих в результате поглощения квантов света, будет полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей.

Возникающая при этом разность потенциалов, на величину которой снижается потенциальный барьер в переходе, называется фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС).

ФотоЭДС зависит от интенсивности облучающего переход света и других факторов, но ее максимальное значение не может быть больше контактной разности потенциалов φ_к.

Если области полупроводника, образующие р-п переход, замкнуть внешней цепью, то в ней потечет фототок I_ф, обязанный движению через переход неосновных носителей заряда, генерированных квантами света, и, следовательно, совпадающий по направлению с обратным током.

Заряды, определяющие возникновение фотоЭДС в р-п переходе, генерируются в процессе поглощения фотонов в слое L_n +L_p. К появлению фотоЭДС приводят только те процессы поглощения, в результате которых создаются неосновных носители заряда. Доминирует здесь собственное поглощение.

Число генерируемых в единицу времени пар зарядов пропорционально числу поглощенных фотонов Ф/ћω и квантовому выходу β. Следовательно, для фототока можно записать:

, (1)

где χ - коэффициент собирания носителей заряда, определяющий число пар носителей зарядов, не рекомбинирующих в толще и на поверхности полупроводнике и достигающих запирающего слоя. Таким образом, фототок через р-п переход протекает независимо от приложенного напряжения и имеет вид:

, (2)

где I_н- ток насыщения, создаваемый свободными носителями заряда; I_ф - фототок, пропорциональный скорости генерации избыточных электронно-дырочных пар. Такой процесс разделения зарядов и формирования ЭДС (без приложения внешнего электрического поля) называется вентильным барьерным ЭДС.

Как следует из (1), фототок I_ф пропорционален световому потоку Ф. Коэффициент пропорциональности в -это интегральная чувствительность фотоприемника.

Лавинный фотодиод. Фотодиоды как фотоприемники могут работать и в режиме, когда к р-п переходу приложено напряжение в запирающем направлении. Такой режим называется фотодиодным. Если к р-п переходу приложить обратное напряжение, то возможно усиление фото-ЭДС за счет умножения гене­рированных светом носителей. Рост фототока с увеличением обратного напряжения объясняется расширением запирающего слоя и соответственным уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть неосновных носителей рекомбинирует в толще базы в процессе диффузии к р-п переходу.

При приложении к к р-п переходу обратного напряжения V, близкого к напряжению лавинного пробоя, энергия носителей заряда, ускоренных электрическим полем, может превысить порог ионизации вещества. Столкновение такого «горячего» носителя с электронами валентной зоны приведет к образованию пары электрон-дырка. Если образовавшиеся вторичные носители тоже ускорятся до энергии, превышающей порог ионизации, то они создадут другие носители и т.д. В результате проводимость возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда. Развитие лавины носителей того или иного знака определяется особенностями поглощения квантов света в диоде.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Они обладают очень высоким быстродействием, достигающим (0,2 – 0,5) нс.

p-i-n фотодиод. В фотодиоде необходимо совместить область поглощения света с обедненным слоем, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода. Это реализуется в фотодиодах с p-i-n -структурой, которые явля­ются наиболее распространенным типом фотодетекторов.

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при V_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Рис. 4.6. Принцип работы p-i-n -фотодиода: а) структура диода; б) зонная диа­грамма при обратном смещении.

Структура и принцип действия p-i-n -фотодиода пояснены на рис. 4.6. Он состоит из низкоомной n⁺-подложки, слабо леги­рованного (собственного) i-слоя и тонкого ниэкоомного р⁺-слоя толщиной до 0,3 мкм, через которые производится освещение. Низкоомные n⁺- и р⁺-области выполняют роль контактов (а). Наличие центрального высокоомного i -слоя приводит к увеличе­нию ширины слоя объемного заряда (б) по сравнению с обычным p-n переходом. Его толщина d_i подбирается так, чтобы поглоще­ние света происходило в этом i-слое (в), совпадающем со слоем объемного заряда. При приложении обратного смещения V обед­ненный слой распространяется на всю i-область. Это приводит к уменьшению емкости перехода, повышению чувствительности и быстродействия. Падающий свет, затухая по экспоненциаль­ному закону с постоянной, определяемой показателем поглоще­ния k_ω для данной длины волны, вызывает генерацию носителей заряда преимущественно в i-слое.

Фотогенерированные носители ускоряются электрическим полем до скорости насыщения дрейфа, поскольку напряженность электрического поля в обе­дненном слое обычно превышает 1 кВ/см. Эта скорость дрейфа примерно на три порядка превышает скорость диффузии. Поэто­му p-i-n-фотодиод конструктивно выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощенного света вне i -слоя. С этой целью переход формируется у самой повер­хности кристалла (как это реализуется в кремниевых фотодиодах), или использу­ется эффект широкозонного окна (как в p-i-n -гетерофотодиодах).

Фотовольтаические эффекты наблюдаются и на контакте металл-полупроводник. В месте такого контакта происходит перераспределение зарядов, в результате чего в полупроводнике возникает обедненный слой и появляется энергетический барьер, называемый барьером Шоттки. Высота барьера равна разности работ выхода для металла и полупроводника. В такой структуре возможно эффективное разделение зарядов противоположных знаков, как показано на рис. 4.7. Металлический слой, через который производят освещение, для уменьшения оптических потерь делают очень тонким (~ 10 нм). Если энергия фотона ћω больше ширины запрещенной зоны, то поглощение происходит в основном в слое объемного заряда полупроводника и диод Шоттки работает как фотодиод с р-п переходом.

Фотодиоды Шоттки позволяют повысить быстродействие приемников излучения до 10^-10 с. В таких структурах граница спектральной характеристики сдвигается в сторону более длинных волн. Инерционность таких приборов определяется временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (10^-10 -10^-11 с).

Рис. 4.7. Фотоэффект на контакте металл-полупроводник.

Кроме того, на барьере Шоттки возможно наблюдать фотовольтаический эффект для ћω₂ < E_g, но ћω₂ > eφ. В этом случае, электроны, возбужденные в металлической пленке, могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в полупроводник.

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют создать фотоприемные устройства с КПД близким к 100%. На рис. 4.8 показано устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода. Излучение вводится через слой GаА1Аs. Поглощение происходит в п-области GаАs. Разница в ширине запрещенной зоны по обе стороны от гетероперехода составляет приблизительно 0,4 эВ. Генерируемые в п-области дырки переносятся в р -область. Ширина активной п-области выбирается такой, чтобы происходило полное поглощение излучения. Структура работает при небольших напряжениях. Выбирая соответствующие пары полупроводников, можно создать фотодиоды для любой части оптического спектра. Дело в том, что в гетероструктурах длина волны определяется разницей ширины запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой поглощаемого излучения.

Рис. 4.8. Схема фотодиода с гетероструктурой и его зонная диаграмма.

Фотодиоды активно используются в оптронах, оптоэлектронных приборах, в которых имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. В электронной схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одно из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначение оптрона. Если между компонентами оптрона создать электрически обратную связь, то оптрон может стать активным прибором, пригодным для усиления и генерации электрических и оптических сигналов.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, пультах дистанционного управления, фотокамерах, различных сенсорных устройствах, использующих данную технологию. Одно из важных применений - в медицинских приборах, в частности - в устройствах для проведения компьютерной томографии.