Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.
Схема работы фотодиода
Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.
Диод в состоянии покоя
Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.
Если подать напряжение: слева — плюс, справа – минус, потечет ток, так как запирающий слой будет преодолен. Если напряжение подать наоборот, то запирающий слой увеличится, ток будет равен нулю, или будет очень мал.
У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.
Режимы работы фотодиодов
В результате накопления дырок и электронов соответственно в р-слое и в n-слое, образуется разность потенциалов – электродвижущая сила, которая создает обратный ток, от катода к аноду. Во внешней цепи ток будет от анода к катоду. То есть имеем солнечную электрическую батарею. В зависимости от того, как используется эффект превращения света в электрический ток, фотодиоды делятся на:
- Фотогенераторы – всем известные солнечные панели, которые применяют для питания калькуляторов, различных приборов в космических аппаратах и многих других;
- Фотопреобразователи – служат для управления различными устройствами. Например, фонари уличного освещения выключаются автоматически после восхода солнца. Ночью, при отсутствии света, фотодиод ведет себя, как обычный диод, пропускает ток. Днем запирает.
Pin-фотодиод
Схема pin-фотодиода
В наше время широко применяются волоконно-оптические системы связи. В них для преобразования света в электрический сигнал применяются pin-фотодиоды. Р и n слои фотодиода изготавливают при помощи легирования (добавления примесей в полупроводник). Плюс говорит о том, что легирование повышенное, то есть добавок больше, чем обычно).
Средняя часть фотодиода – i часть – слаболегированный проводник n-типа. При подачи обратного напряжения, в этом слое возникает обедненная область (мало дырок и электронов). Поэтому сопротивление этой части диода велико, намного больше, чем в р+ и n+ слоях. Как следствие, электрическое поле сосредоточено в и-области. Фотон поглощенный в и-зоне рождает пару: электрон и дырка.
Сильное поле i-области мгновенно разделяет их по электродам: дырка поглощается катодом, электрон – анодом. Возникает электрический ток. Pin фотодиоды очень эффективны. Наибольшая частота, с которой они работают достигает 1010 герц. Что позволяет передавать терабайты информации за 1 секунду.
Как видим из рисунка, ширина и-слоя намного больше, чем ширина р+ и n+ слоев. Это сделано для того, чтобы фотоны поглощались бы в и-зоне, а не в соседних слоях.
Лавинный фотодиод
В волоконно-оптических системах связи помимо pin фотодиодов применяются лавинные фотодиоды (ЛФД).
ЛФД отличаются от ПИН фотодиодов наличием дополнительного р-слоя. Количество легирующих примесей подбирается так, что наибольшее сопротивление имеет р-слой. Это приводит к тому, что наибольшее падение напряжения происходит в р-слое. Фотон попадая в светочувствительный i-слой выбивает электрон, который устремляется к аноду. Соответствующая электрону дырка движется к катоду.
Электрон на своем пути попадает в зону высокого напряжения р-слоя. Здесь скорость электрона резко возрастает и становится достаточной для выбивания с внешней орбиты атомов р-слоя других электронов. Новые свободные электроны в свою очередь сбивают с валентных слоев дополнительные электроны. Процесс нарастает лавинообразно. Поэтому этот тип фотодиодов называется лавинным.
На рисунке показано резкое усиление электродвижущей силы в зоне р-слоя. Первичный ток, возникший в и-слое, лавинообразно усиливается в р-слое. Коэффициент умножения может достигать нескольких сотен. Слишком большое умножение приводит к большим шумам, которые увеличиваются быстрее сигнала. Оптимальный коэффициент умножения находится в пределах от30 до 100.
Основные характеристики фотодиодов
Мы рассмотрели физические аспекты работы фотодиодов. Чтобы до конца разобраться в том, что такое фотодиод необходимо ознакомиться с его математическим описанием. Главные характеристики фотодиодов: вольтамперная, световая и спектральная. Рассмотрим ВАХ:
Вольтамперная характеристика фотодиода
Мы видим семейство кривых, характеризующих зависимость тока, проходящего через фотодиод от приложенного напряжения. Каждая кривая соответствует различным потокам излучения (светового или инфракрасного). Кривая Ф=0 характеризует функционирование фотодиода в темноте. Все кривые не заходят во II четверть. Рабочая область III четверть.
Очень интересный факт, заключается в том, что в III четверти сила тока почти не зависит от приложенного обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Она зависит от величины светового потока. Чем больше поток, тем больше сила тока. Уравнение зависимости обратного напряжения от силы тока имеет вид:
Eобр — Iф · R = U
Где Еобр – разность потенциалов источника обратного напряжения;
U – обратное напряжение на фотодиоде;
Iф– фототок (ток нагрузки);
R – резистор нагрузки.
Мы видим, что фотодиод в рабочей четверти является источником тока во внешней цепи.
I четверть – нерабочая зона фотодиода. Здесь приложено к нему прямое напряжение. Диффузный ток подавляет фототок.
В IV четверти фотодиод работает, как фотогальванический элемент. Точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует значению ЭДС, возникающей при отсутствии тока в цепи. То есть при R= ∞. У кремниевых фотодиодов Uх при разных потоках Ф равно приблизительно 0,5в.
Точка пересечения кривых с осью ординат показывает ток короткого замыкания. То есть ток при R=0.
Заштрихованная область показывает оптимальный режим для потока Ф1.