Фотодиод

Фотодиод
Тип	Активный электронный элемент
Принцип работы	Преобразование света в электрический ток
Символьное обозначение
Пин конфигурация	анод и катод

Фотодио́д — полупроводниковый приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

В основе работы фотодиода лежит фотовольтаический эффект (разделение электронов и дырок в p- и n-областях при попадании на них потока фотонов, за счёт чего образуется заряд и электродвижущая сила — фотоЭДС). Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между легированными слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i, а также фотодиоды с барьерами Шоттки.

Фотодиоды используются в научных и промышленных приборах для измерения интенсивности света, а также в качестве приемника данных, закодированных в инфракрасном луче в пультах дистанционного управления. Фотодиоды можно использовать в качестве составной части оптопары — оптрона, позволяющей передавать сигналы между цепями без гальванического их контакта.

История открытия

В 1839 году французский физик Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. Он так описал свое открытие во французском научном журнале Comptes rendus de l'Académie des Sciences:

Производство электрического тока, когда две пластины из платины или золота, погруженные в кислый, нейтральный или щелочной раствор, неравномерно подвергаются солнечному излучению.

Беккерель даже нашёл применение этому эффекту, разработав на его основе актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

В последующем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым колебательным контуром (резонатором) он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то искрообразование заметно облегчается. В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта — фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света при постоянной частоте.

До этого, в 1873 году, английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил зависимость электропроводности селена от интенсивности падающего на него электромагнитного и светового излучения. В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фритс сделал первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди. Эти открытия положили начало дальнейшему изучению внутреннего фотоэффекта, лежащего в основе создания светоприёмных полупроводниковых приборов .

Принцип работы

В p-n-переходе (области соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости) существует потенциальный барьер, обусловленный электрическим полем ионизованных примесей (положительными ионами донорной примеси в n-области и отрицательными ионами акцепторной примеси в p-области), которое появляется в результате диффузии основных носителей заряда при возникновении контакта р- и n-полупроводников. Это электрическое поле направлено из n-области к p-области и препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. В состоянии термодинамического равновесия ток через p-n-переход равен нулю.

Перенос электронов при многократном захвате и высвобождении

При поглощении квантов излучения в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В базе (n-область) происходит генерация свободных носителей — электронов, которые приобретают направленное движение относительно кристаллической решётки. На гранях кристалла, перпендикулярных потоку излучения, появляется фотоЭДС светового давления, электроны устремляются к границе p-n-перехода. Конструктивно ширина базы делается такой, чтобы электроны и дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Возникает ток, определяемый перемещением неосновных носителей, когда дырки движутся к аноду, а электроны — к катоду.

Следует учесть, что дырка — это атом, утративший электрон. Атомы в кристалле полупроводника перемещаться не могут, поэтому термин «движение дырки» условный и физически ток представляет собой не что иное, как движение электронов. Отличие тока в полупроводнике от тока в твёрдом теле с хорошей проводимостью (в металле) в том, что в металле перемещаются свободные, не связанные электроны, а в полупроводнике нет «электронного газа» и электроны перемещаются от дырки к дырке, создавая эффект перемещения электронов в одну сторону, а дырок — в другую.

На основе описанного генерируемый ток в фотодиоде направлен от катода к аноду, причём его величина тем больше, чем больше освещённость.

Режимы работы фотодиода

Существуют два режима работы фотодиода:

Фотогальванический

1 — кристалл полупроводника;
2 — контакты;
3 — выводы;
Е — источник постоянного тока;
R_H — нагрузка.

Это режим работы без внешнего источника напряжения. В этом режиме фотодиод может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания, так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от интенсивности потока излучения и сопротивления нагрузки, то есть используется фотоэлектрический эффект, который является основой создания солнечных элементов: традиционная солнечная батарея представляет собой просто набор фотодиодов с большой площадью базы.

Фотодиодный

Фотодиодный режим — работа с внешним источником питания, напряжение которого приложенно в обратном (запирающем) направлении.

В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения. Недостаток этого режима — наличие темнового тока, протекающего через фотодиод даже в отсутствие освещения.

Параметры и характеристики фотодиодов

Фотодиоды имеют следующие основные параметры и характеристики:

Чувствительность

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.

$S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}$; $S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}$ — токовая чувствительность по световому потоку;

$S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}$; $S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}$ — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку.

Шумы

Помимо полезного сигнала, на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода, не позволяющий регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика - это график зависимости выходного напряжения от входного тока, $U_{\Phi }=f(I_{\Phi })$.

Обозначения на эквивалентной схеме:

$I_{D}$ — темновой ток;

$I_{PH}$ — фототок;

$C_{S}$ — ёмкость p-n-перехода;

$R_{P}$ — параллельное сопротивление (сопротивление нулевого смещения p-n-перехода);

$I_{R}$ — шумовой ток;

$R_{S}$ — последовательное сопротивление (это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают);

$R_{L}$ — нагрузочное сопротивление.

Light intensity — интенсивность светового потока.

График в третьем квадранте отображает фотодиодный режим, графики в первом и четвёртом квадрантах — фотогальванический.

Спектральная чувствительность фотодиода

Пример графика зависимости фототока от длины волны падающего света

Спектральная чувствительность фотодиода - это характеристика зависимости фототока от длины волны падающего на фотодиод света. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. Тем самым, коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода существенно зависит от степени роста коэффициента поглощения, равного отношению потока излучения $\Phi$, поглощенного телом, к упавшему на тело потоку излучения $\Phi _{0}$:

$\alpha ={\frac {\Phi }{\Phi _{0}}}$

Темновой ток

Темновой ток - это ток утечки, возникающий в режиме фотодиода при приложении обратного напряжения смещения к фотодиоду в отсутствие светового потока. Наблюдается увеличение темнового тока в зависимости от температуры. На темновой ток также влияют материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды обладают более низким темновым током по сравнению с германиевыми приборами.

Материалы, применяемые при изготовлении

Величина фототока в значительной степени зависит от материала, из которого изготовлен фотодиод. Ниже в таблице приведены наиболее часто употребляемые материалы.

	Материал	Диапазон длин волн электромагнитного спектра (нм)
1e-06	Кремний	190–1100
2e-06	Германий	400–1700
3e-06	Арсенид индия-галлия	800–2600
4e-06	Сульфид свинца(II)	<1000–3500
5e-06	Теллурид кадмия и ртути	400–14000

По причине большей запрещённой зоны фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Классификация фотодиодов по структуре

Ниже приведена одна из возможных классификаций фотодиодов по структуре.

p-i-n фотодиод

Структурная схема p-i-n фотодиода

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. Поскольку i-слой выполняется из нелегированного полупроводника с собственной проводимостью, свободные носители в области практически отсутствуют и силовые линии электрического поля, начинающиеся на донорах n-области, без экранировки проходят через i-слой и заканчиваются на акцепторах p-области. При достаточно большом напряжении электрическое поле пронизывает i-область, и свободные носители, возникшие за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов, что дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле.

Достоинства:

1. Есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области;
2. Высокие чувствительность и быстродействие;
3. Малое рабочее напряжение $U$_раб.

К недостаткам можно отнести сложность получения высокой чистоты i-области.

Фотодиод Шоттки

Барьер Шоттки с нулевым смещением

Структура представляет собой барьер металл-полупроводник. Тонкий слой металла толщиной 10 нм наносится на полупроводник вакуумным напылением. Для уменьшения потерь излучения, вызываемых отражением света от поверхности металла, на него наносят просветляющее покрытие.

Принцип работы фотодиода Шоттки основан на том, что при контакте электронного полупроводника с металлом, определённое число электронов переходит из полупроводника в металл. В приконтактной области полупроводника, как и в диодах с p-n-переходом, возникает потенциальный барьер — барьер Шоттки. Ток через барьер при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Это означает отсутствие явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов, что обеспечивает высокое быстродействие.

Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si), карбида кремния (SiC) или арсенида галлия (GaAs), реже — на основе германия (Ge). Широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.

Лавинный фотодиод

Схема гибридного детектора, сочетающего свойства фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и лавинного фотодиода — Avalanche diode

В структуре используется лавинный пробой, возникающий при условии, что энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Лавинные фотодиоды очень чувствительны, для оценки чувствительности применяются коэффициенты лавинного умножения:

по току $M_{I}={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}$, или по напряжению $M_{U}={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}$.

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1. Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию бо́льшую, чем ширина запрещённой зоны:

$q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}$;

2. Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

$W\gg \lambda$.

Значение коэффициентов внутреннего усиления за счёт лавинного умножения составляет $M=10-100$ в зависимости от типа фотодиодов.

Фотодиод с гетероструктурой

Полупроводниковый гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников) — слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. В зависимости от легирования полупроводников можно создать p-n гетеропереходы (анизотипные), p-p и n-n гетеропереходы (изотипные). Комбинации различных переходов образуют гетероструктуры.

За счет подбора полупроводников можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток фотодиодов с гетероструктурой— сложность изготовления.

Применение фотодиодов

Матрица на печатной плате цифрового фотоаппарата

Фотодиоды применяются во многих областях, как в быту, так и в промышленности:

• в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков и приёмники инфракрасных устройств дистанционного управления;
• в световых затворах фотодиод зачастую объединяют в единый компонент с излучателем света, обычно светодиодом, для обнаружения наличия чего-либо на пути луча;
• для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности, поскольку характеристики фотодиодов более линейны, чем у фоторезисторов;
• любой тип фотодатчика может использоваться для измерения освещённости, как в лабораторных, так и промышленных фотометрах, а также для автоматического включения уличного освещения с наступлением темноты;
• фотодиодная матрица — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из фотодиодов.