Фотодиоды.

Фотодиоды имеют структуру обычного -перехода (рис. 3.11, а). Пусть находится в равновесии, т. е. в исходном состоянии к нему не приложена внешняя разность потенциалов. Вследствие оптического возбуждения в -областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Так как в области объемного заряда концентрация носителей меньше, чем в и -областях, то под влиянием градиента концентрации электронно-дырочные пары диффундируют к -переходу. На границе перехода они разделяются, и неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, значение которого однозначно связано с контактной разностью потенциалов, перебрасываются через переход в область, где являются основными носителями заряда. Электрический ток, созданный ими, есть полный фототок. Дырки тормозятся электрическим полем и остаются в -области.

Рис. 3.11. Структура фотодиода (а): включение фотодиода совместно с внешним истчником (б): его вольт-амперные характеристики при (в): условное обозначение (г)

Таким образом, в результате освещения полупроводника по обе стороны от -перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые на расстоянии от перехода, большем диффузионной длины, успевают рекомбинировать не достигнув перехода. Поэтому они не вносят вклада в фототок.

Если -переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в -области и положительного в -области зарядов.

Объемный заряд этих основных носителей заряда частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину и снижая потенциальный барьер, что приводит к нарушению условия равновесия и возникновению диффузионного движения через переход основных носителей заряда. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера. равной , при которой поток неосновных носителей заряда через переход, вызванный световым облучением, полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей заряда.

ЭДС, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер в -переходе, называют фотоэлектродвижущей силой или фото-ЭДС. Она зависит от светового потока, облучающего -переход, и ряда других факторов, но ее максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов.

Фото-ЭДС может быть использована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь прибора. При этом фотодиод работает в режиме фотогенератора без постороннего источника напряжения, непосредственно преобразуя световую энергию в электрическую.

Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии , положительный полюс которого подключается к -слою, а отрицательный — к -слою (рис. ). Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток . В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через p-n-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком.

Значение фототока в первом приближении можно найти из выражения

где интегральная чувствительность.

Вольт-амперные характеристики освещенного -перехода показаны на рис. 3.11, в. Как следует из принципа его работы, фототок суммируется с обратным током теплового происхождения. В соответствии с этим уравнение тока -перехода фотодиода, известное из теории работы полупроводниковых приборов, имеет вид

где - тепловой ток -перехода.

Если фотодиод замкнут на резистор (рис. 3.11, в), то напряжение на . Тогда ток в цепи -перехода

Решив (3.13) относительно , получим

Уравнение (3.14) аналитически описывает вольт-амперную характеристику фотодиода.

При коротком замыкании фотодиода ток в цепи диода к равен фототоку:

В режиме холостого хода ток в цепи отсутствует и напряжение на зажимах фотодиода , согласно (3.14), растет по логарифмическому закону при увеличении светового потока:

При интенсивном облучении, когда , фото-ЭДС определяют из выражения

Материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, селен, сернистый таллий и сернистое серебро.