1.1.4. Фотодиоды с p-n-переходами

Подпись: Рис. 1.5. р-п-переход в состоянии равновесия (а) и при освещении  в отсутствие внешнего напряжения (б), зависимость фототока Iф и фото-э.д.с.   Uф от свето-вого потока Ф (в)

В фотодиодах светочувствительным элементом является переходная область, расположенная между материалами с электронной и дырочной проводимостью. На рис. 1.5, а изображена энергетическая схема p-n-перехода в равновесии. Уровень Ферми ЕF во всех частях системы имеет одно и то же положение. Область с дырочной проводимостью содержит акцепторные примеси А, на которые электроны теплом переводятся из валентной зоны, область с электронной проводимостью—донорные примеси D, которые отдали свои электроны в зону проводимости. В области шириной d0 присутствует контактное поле, образовавшееся в результате перетока некоторого числа электронов из электронного полупроводника в дырочный. Это поле затрудняет попадание электронов и дырок в слой do, который оказывается обедненным носителями и определяет ток через диод.

При освещении р-п-перехода светом с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны E=ECEV) по обе стороны от перехода и в самом переходе возникают пары электрон—дырка. Пары, возникающие в области d0, сразу разделяются электрическим полем, причем электроны движутся в область с электронной проводимостью, а дырки — в область с дырочной проводимостью (рис. 1.5,6). Кроме того, в переход попадают электроны, созданные светом в слое l1 левее перехода, так как после освобождения электроны за время жизни τ успевают проходить среднее расстояние l1 (диффузионная длина). То же относится к дыркам в слое l2 правее перехода. При τ= 1·10-6 с и коэффициенте диффузии носителей D = 25 см2·c-1 длина l=5·10-3 см ().

Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута (как это предполагается на рис 1.5,б), то освещение приводит к накоплению фотоэлектронов в п-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов Uф, т. е. появляется фото-э.д.с. Если внешняя цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент.

Для преобразования энергии солнечных лучей в электрическую используют р-п-переходы в кремнии (ΔЕ=1,1эВ), когда почти все фотоны солнечного излучения способны создавать электронно-дырочные пары. Фото-э. д. с. таких фотоэлементов составляет несколько десятых долей вольта, поэтому их часто соединяют последовательно для получения напряжения в несколько вольт (солнечные батареи для космических аппаратов и других целей).

Напряжение Uф смещает переход в прямом направлении, снижает высоту барьера для электронов и дырок, что облегчает переток быстрых электронов в р-область. По мере увеличения Ф рост Uф поэтому замедляется (рис. 1.5, б). Вольт-амперную характеристику р-п -перехода при освещении можно записать следующим образом:

, (1.9)

где Iн – ток насыщения в темноте; Iф—фототок, проходящий через переход; U—внешнее напряжение на переходе. Если во внешней цепи I=0, a U=Uф, то из (1.9) получим

. (1.10)

Так как IФ~Ф, то из (1.10) следует нелинейная зависимость Uф («напряжения холостого хода») от Ф. Если фотоэлемент включен во внешнюю цепь с малым сопротивлением, то фотоэлектроны не накапливаются в п-области и Uф = 0. Поскольку внешнее напряжение тоже отсутствует, I= -IФ, т.е. в этом случае ток (называемый часто током короткого замыкания) IФ~Ф (рис. 1.5, в).

Если p-n-переход включен в запирающем направлении (на p-область подан минус источника напряжения), то практически все напряжение будет падать на обедненной области шириной d и схема энергетических зон приобретет вид, показанный на рис. 1.6, а.

Теперь разделение электронов и дырок, возникших при освещении, производится более сильным полем, а ширина области высокого сопротивления увеличивается (d~). Это увеличивает ту часть кристалла, из которой электроны и дырки быстро уносятся полем. Если дрейфовая скорость электронов υd=1·106 см/с, а d=10-4см, то время пролета электронами области поля τi=1·10-10 с. С такой же быстротой эта составляющая фототока будет следовать за изменением интенсивности света. Однако через переход проходят и электроны (дырки), рожденные светом в слоях l1 и 12и достигшие перехода путем диффузии. Соответствующие времена гораздо больше (тд≈1·10-7 с) и именно они могут определять инерционность фотодиода. Для ослабления этой составляющей фототока p-п-переход следует формировать у самой освещаемой поверхности (уменьшая, например, толщину х1 слоя p-типа).

Так как большая часть света поглощается на глубине х* = 1/α (где α—коэффициент поглощения), то при х1≈0 и d=x* роль света, поглощаемого в слое l2, и приходящих оттуда дырок также ослаблена (рис. 1.6, а). Чтобы полностью исключить поглощение света правее перехода, можно увеличить d до 2х*. Этого достигают в специальных p-i-n-переходах, в которых между слоями с высокой концентрацией акцепторов и доноров располагают слой с собственной проводимостью (i).

Графики вольт-амперных зависимостей p-n-перехода при освещении приведены на рис.1.6,б. При включении перехода в запирающем направлении (U< 0) и при qU>>kT из (1.9) следует, что I= – (Iн + Iф). По мере повышения Ф фототок Iф увеличивается и может значительно превысить темновой ток Iн.

Подпись: Рис.1.6. р-п-переход, включенный в запирающем направлении (а) и вольт-амперные характеристики фотодиода при различ-ных световых полтоках Ф (б)

Если весь световой поток Ф, падающий на фотодиод, поглощается в слое толщиной x1+d+l2 (т. е. эта толщина больше 2х*), то все возникшие электроны и дырки примут участие в создании фототока и

(1.11)

где η1 — квантовый выход процесса генерации электронно-дырочных пар. В этом случае квантовый выход фотодиода η31. Если часть электронов и дырок рождается за пределами слоя l1 + d+l2, то η3= η1Кс, где Кскоэффициент собирания фотоэлектронов и дырок с < 1). Отражение света от поверхности полупроводника также уменьшает квантовый выход фотодиода. В отличие от фоторезисторов рассматриваемые фотодиоды не обладают внутренним усилением (Z=l) и их общая чувствительность составляет примерно 20 мА/лм.

Подпись: Рис. 1.7. Конструкция p-i-n-фотодиода: М – метал-лические контакты; И – изолятор (SiO2), 
П – просветляющее покрытие

В кремниевом p-i-n-диоде, который является одним из наиболее распространенных фотодетекторов (рис. 1.7), толщина i-области составляет примерно 50 мкм, а слоя р+всего 3 мкм. При освещении такого диода светом с длиной волны λ= 0,9 мкм (от GaAs-излучателя) x*=30 мкм и около 80% света поглощается в i-слое. Следовательно, практически все фотоэлектроны и дырки возникают в i-слое, и быстродействие диода определяется временем τi их пролета через i-слой. Дрейфовая скорость электронов в кремнии сначала растет c увеличением напряженности поля, а затем испытывает насыщение при Ud 5·106 см/с. В этих условиях время пролета

а время τд, определяемое диффузией электронов из р-области или дырок из п-области (τд > τi), не играет существенной роли.

В общем случае следует учитывать еще одну составляющую τRC постоянной времени, связанную с сопротивлением R и емкостью С цепи. При малом сопротивлении нейтральных областей диода, а также внешней цепи, при широком переходе (зарядовая емкость р-п-перехода C~d-1, a d~) имеем τRC < τi. Обнаружительная способность кремниевых фотодиодов достигает значения 1·1013 см-Гц1/2 ·Вт-1 (λ = 1мкм, Т=300 К).

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.