2.2 Вакуумний фотодіод

Структуру вакуумного фотодіода схематично показано на рисунку 2.2. Фотодіод, джерело напруги зміщення і резистор навантаження з'єднуються послідовно, забезпечуючи позитивний потенціал на аноді і негативний – на катоді. При відсутності світла струм не протікає через резистор навантаження і падіння напруги на ньому дорівнює нулю. Коли катод освітлений, фотони, що надходять поглинаються, віддаючи свою енергію електронам металу. Деякі з цих електронів набувають достатньої енергії для виходу з поверхні катода. Ці вільні електрони рухаються до анода внаслідок його позитивного потенціалу. Протягом цього руху, позитивний заряд протікає через зовнішнє коло (резистор навантаження) до анода внаслідок наближення негативно зарядженого електрона. Іншими словами, струм тече через зовнішнє коло. Коли електрони потрапляють на анод, вони об’єднуються з позитивними зарядами і струм у колі припиняється.

Для вивільнення одного електрона з катода потрібна певна кількість енергії, яку називають роботою виходу. Фотон, що надходить, повинен мати енергію більшої роботи виходу, щоб викликати емісію електрона. Позначивши роботу виходу , одержуємо умову емісії електрона

h  , (2.3)

де h – стала Планка,  – оптична частота.

Найнижча оптична частота, що може бути виявлена, дорівнює  = /h. Це відповідає довжині хвилі  = hc/. Якщо робота виходу  дається в електронвольтах (еВ), то червона (довгохвильова) гранична довжина хвилі фотоефекта

_ч = 1,24/, мкм. (2.4)

Випромінювання з довжиною хвилі більшою, ніж гранична, не може бути виявлене внаслідок недостатньої енергії фотона. Фотони з коротшою довжиною хвилі мають більшу енергію і можуть бути продетектовані.

Не кожен фотон, з енергією більшою роботи виходу, вивільнить електрон. Ця особливість детектора оцінюється параметром квантової ефективності (квантового КПД)

 1. (2.5)

Оскільки оптична потужність Р дорівнює енергії, що поступає на детектор за секунду, і h – енергія одного фотона, то P/h – число фотонів, що надходять на катод за секунду. При квантовій ефективності  число випусканих катодом за секунду електронів дорівнює P/h. Кожен електрон несе заряд величиною q, тому заряд за секунду (тобто фотострум), що створює катод

. (2.6)

Цей струм у зовнішньому колі тече через резистор навантаження R_н. Діод веде себе так, начебто він є джерелом (генератором) струму для кола навантаження. Струмовий відгук

_i = І/P = q/hc. (2.7)

Вихідна напруга

U = qPR_н/h = _iPR_н. (2.8)

Співвідношення (2.6) показує, що фотострум прямо пропорційний оптичній потужності, що є важливою властивістю детектора.

2.3 Напівпровідниковий p–n-фотодіод

Напівпровідникові фотодіоди мають малі розміри і масу, високу чутливість і швидкодію, здатні працювати при напрузі зміщення на декілька вольт. Вони майже ідеальні для використання у ВОСП. Розглянемо три варіанти таких приладів: p–n-ФД, p–i–n-ФД і ЛФД.

Фотодіод p–n-типу, що показаний на рисунку 2.3, пояснює процес детектування світла за допомогою напівпровідникового ФД. При подачі зворотного зміщення, потенційний бар'єр між p- і n-областями збільшується. Вільні електрони (що переважають у n-області) і вільні дірки (що домінують у p-області) не можуть подолати потенційний бар'єр, тому струм через перехід не тече. Переходом (p–n-) називають область, де існує потенціальний бар’єр. Оскільки в області переходу відсутні будь-які вільні заряди, її називають збідненою (зарядами) областю. Відсутність вільних носіїв заряду призводить до того, що опір цієї області великий, тому майже вся напруга зміщення діода прикладена до збідненої області. Отже, напруженість електричного поля в збідненій області висока і мала поза нею.

На рисунку 2.3,в показано, як фотон поглинається в переході після проходження через p-шар. Поглинання енергії дозволяє раніше зв'язаному з атомом електрону перейти з валентної зони в зону провідності. Електрон тепер є вільним і здатний до руху. Вільна дірка залишається у валентній зоні як вакансія електрона. Таким чином, при поглинанні фотона створюється пара вільних носіїв заряду. Електрон переміститься в нижню частину бар'єра, а дірка (чия потенційна енергія протилежна енергії електрона) переміститься у верхню частину бар'єра. Це переміщення зарядів викликає протікання струму через зовнішнє коло, аналогічно тому, як електрони фотоемісії викликають струм у вакуумному фотодіоді. Коли вільні дірки й електрони рекомбінують, чи коли вони досягають краю переходу, де електричне поле мале, носії заряду припиняють рух і струм зникає.

Це відбувається, коли фотон буде поглинений у p- чи n-областях, по обидва боки від переходу. Тут також виникає пара електрон-дірка, але ці вільні заряди не можуть рухатися швидко через слабке електричне поле, що є за межами переходу. Більшість вільних носіїв заряду будуть повільно рухатися (унаслідок дифузії) через діод і прорекомбінують не досягнувши переходу. Ці носії заряду дають незначний внесок у струм, тим самим, знижуючи струмовий відгук детектора. Ясно, що це явище робить p–n-фотодіод малоефективним.

Носії заряду, створені поблизу від збідненої області, можуть (унаслідок дифузії) наблизитися до неї і досягти переходу завдяки великому електричному полю, що існує в ньому. В зовнішньому колі протече струм, але він буде запізнюватися щодо оптичної потужності, що надходить. Припустимо, що необхідно вимірити час наростання p–n-фотодіода, подаючи на його вхід “сходинку” оптичної потужності. Деякі з фотонів “початку” сходинки, що поглинені в самому переході, викликають майже негайне протікання струму. Однак, ті фотони “початку” сходинки, що поглинуться поблизу переходу, викликають протікання струму з запізненням. Отже, експеримент покаже поступове збільшення струму, що досягне максимуму через певний час після того, як закінчиться перепад оптичної потужності. Час наростання буде великим. Типові p–n-фотодіоди мають час наростання приблизно декілька мікросекунд, що не дозволяє застосовувати їх у високошвидкісних ВОСП. Діод p–i–n-типу вирішує проблему низької чутливості і повільного відгуку.

Цікаво зіставити напівпровідниковий прилад, що використовується як джерело і як приймач світла. Для випромінювання світла на діод подають пряме зміщення і носії заряду, інжектовані в область переходу, рекомбінують, що призводить до утворення фотонів. При детектуванні світла все відбувається навпаки. На діод подають зворотне зміщення і фотони, що надходять, генерують електронно-дірочні пари, що призводить до електричного струму.