Фотодиод

Фотодетекторы
Фотодетекторы – полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.
Термину фотодетектор используют как эквивалентный термин фотоприемник или приемник оптического излучения.
К фотоприемникам относятся:
Фотодиоды
Фоторезисторы
Фототранзисторы
P-I-N Фотодиоды и др. типы

Определение фотодиода
Фотодиод — приёмник оптического излученияФотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область светФотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных светом неравновесных носителей.
Рис.1. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения (слева), обозначение фотодиода на схемах (справа).

Требования
высокая чувствительность и быстродействие
низкий уровень шумов
малые размеры
низкие управляющие напряжения и токи.

Физические основы работы фотодиода
При контакте двух полупроводников с разными типами проводимости вследствие разности термодинамических работ выхода Фn-тип<Фp-тип произойдет перераспределение свободных зарядов и возникнет область пространственного заряда Q1 и Q2. Объемный заряд создает электрическое поле , максимальный на границе Еmax и линейно спадающее вглубь области пространственного заряда.
Рис.2 а) Образование вблизи границы раздела двух полупроводников объемных зарядов Q1 и Q2, б) Электрическое поле Е, созданное этими объемными зарядами. E=dφ/dx в) Изменение потенциала вблизи границы φ(x).

Рис.3. Зонная диаграмма контакта полупроводников p- и n- типов в равновесии.
В условиях термодинамического равновесия в p-n-переходе существуют четыре компоненты тока. Две из них дрейфовые, две – диффузионные, каждый из которых образована неосновными и основными носителями заряда. При приложении напряжения VG равновесие нарушается и ВАХ диода будет иметь вид:

При освещении фотодиода происходит генерация электронно-дырочных пар. Во всем проводнике изменяется концентрация неосновных носителей, следовательно возрастает дрейфовая компонента тока, а диффузионная не меняется.
Рис.4. Протекание диффузионного дырочного тока Iф через p-n-переход при освещении фотодиода.
IФ = q*Lp*∆P /tp + q*Ln*∆N/tn = I∆PE +I∆NE

Рис.5. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода при различных уровнях освещения.

Параметры фотодиодов
чувствительность - отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
шумы - хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром- хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.
— токовая и вольтаическая чувствительность

Характеристики:
вольт-амперная характеристика (ВАХ) - зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ)
спектральные характеристики - зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
световые характеристики - зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости.
постоянная времени - это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
темновое сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
инерционность

Рис.6. Кривые спектральной чувствительности: и 1) германиевого, 2) кремниевого фотодиодов
Спад фоточувствительности в области больших длин волн соответствует краю собственного поглощения материала фотодиода, когда энергия кванта hn примерно равна энергии ширины запрещенной зоны. При меньших энергиях фотон просто не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. Уменьшение чувствительности в области коротких волн связано с тем, что при уменьшении длины волны световая энергия поглощается в более тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации носителей за счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала.

Ограничение по применению
Две характеристики p-n-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать фотодиод на основе p-n – перехода только в килогерцовом диапазоне.