6.1.2 Фотодиоды

Полупроводниковый фотодиод– фоточувствительный прибор сp-n-переходом или с выпрямляющим контактом металл-полупроводник.

В фотодиодах наиболее часто используется обратная ветвь ВАХ.

.

При освещении p-n-перехода световым потоком фотоны могут создавать пары носителей заряда вблизи p-n-перехода или в самом p-n-переходе. Если это произошло на длине свободного пробега от p-n-перехода, то носители заряда разделяются. Через p-n-переход будет протекать ток, величина которого прямо пропорциональна величине светового потока и практически не зависит от обратного приложенного напряжения.

Световая характеристика фотодиода – зависимость обратного фототока от освещённости. Представляет собой прямую линию, что объясняется тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше длины свободного пробега. Практически все носители заряда, которые возникают в базе диода за счёт генерации, достигают p-n-перехода, участвуют в образовании . Потери неосновных носителей заряда незначительны и не зависят от величины освещённости.

Важным следствием является то, что фототок не зависит от приложенного напряжения, поэтому фотодиод характеризуется не удельной интегральной чувствительностью, а просто интегральной чувствительностью:

. (6.4)

Ещё одна важная особенность: малая инерционность (высокое быстродействие). На это могут влиять три основных фактора:

1) Время диффузии или дрейфа неосновных носителей заряда: .

2) Время пролёта неосновных носителей заряда через p-n-переход: .

3) Время перезарядки барьерной ёмкости p-n-перехода: .

В фотодиодах толщина базы имеет малые размеры (десятки мкм). Поэтому- не более 50 нс.

Время пролёта носителей заряда через p-n-переход определяется толщиной перехода и скоростью носителей. = 0,1 – 1 нс.

зависит от обратного напряжения. Чем больше напряжение, тем меньше ёмкость.

Общее время задержки – не более 100 нс. Лучшие диоды: = 10 нс.

Это самые быстродействующие фотоэлектронные приборы.

6.1.2.1 Спектральная характеристика фотодиодов

Эта характеристика также определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, а со стороны коротковолновой части − увеличением поглощения. Основная масса носителей заряда сосредоточена в поверхностном слое.

Большинство фотодиодов имеют максимум чувствительности в инфракрасной области.

6.1.2.2 Фотодиоды на основе контакта металл-полупроводник

Эти диоды выполняются на основе полупроводников, на которые нанесён тонкий слой золота.

Отличия:

1. В фотодиодах с использованием барьера Шотки высота потенциального барьера может быть ниже, нежели в кремниевых фотодиодах. Фотоны, имеющие энергию, меньшую, чем энергия запрещённой зоны полупроводника, могут поглощаться в металле. Низкочастотная характеристика таких фотодиодов располагается дальше.

2. С уменьшением длины волны и увеличением показателя поглощения в полупроводнике квантов света последние продолжают поглощаться в зоне объёмного заряда, где существует электрическое поле. Высокочастотная часть будет располагаться значительно дальше, чем у обычных фотодиодов. Спектральная характеристика значительно шире, чем у фотодиодов с p-n-переходом.

Кроме того, в этих фотодиодах сопротивление базы значительно меньше, и толщина этой базы невелика. В результате задержка на пролёт области базы, а также задержка на перезарядку барьерной ёмкости пренебрежимо малы. Основную задержку в этих фотодиодах вносит время пролёта через область объёмного заряда. Эта величина колеблется в пределах: 0,01 – 0,1 нс. Это позволяет использовать частоту модуляции светового потока очень высокой, вплоть до СВЧ-диапазона.