Лабораторная работа N 16.

Определение основных характеристик фотодиода.

1. Виды фотоприёмников на основе диодов.

Оптоэлектронные приборы – это устройства, преобразующие оптическое излучение в электрический сигнал и наоборот, электрический сигнал в оптическое излучение. К первому виду оптоэлектронных приборов относятся фотоприёмники и солнечные батареи, ко второму виду- светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для преобразования оптического излучения в электрический сигнал используется межзонное поглощение квантов света в полупроводниках, как наиболее эффективный канал преобразования энергии. При поглощении света генерируется неравновесные – основные и неосновные носители. В фотоприемных устройствах как правило используется принцип регистрации неосновных носителей заряда. Наиболее распространённые фотоприёмники реализуются на основе диодных структур. Среди них фотодиоды на основе p-n – переходов, барьеров Шоттки и гетеропереходов. Ниже, на рис.1 приведена конструкция наиболее распространённых фотодиодов.

д

В фотодиодах на основе p-n – переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рис.2.

Рис.2. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения. n - эмиттер, p – база фотодиода.

2. Физические основы работы фотодиода.

2.1. ВАХ p-n-перехода в темноте.

При контакте двух полупроводников с разными типами проводимости вследствие разности термодинамических работ выхода Ф_n-тип<Ф_p-тип произойдет перераспределение свободных зарядов и возникнет область пространственного заряда Q₁ и Q₂. При этом положительный заряд Q₁ образован нескомпенсированными донорами, а отрицательный заряд Q₂ образован нескомпенсированными акцепторами. Объемный заряд создает электрическое поле , максимальный на границе Е_max и линейно спадающее вглубь области пространственного заряда,как видно из уравнения (1)

(1)

; ;

E_max

Рис. 3. Область пространственного заряда в p-n – переходе.

Наличие электрического поля Е приведет к тому, что ход потенциального потенциала будет иметь нелинейный вид. Наклон графика j_к равен напряженности поля Е(x). Дно зоны проводимости Е_c(х) и потолок валентной зоны Е_v(х) будут повторять ход потенциала j(х) (рис.4). В состоянии равновесия уровень Ферми F должен быть один и тот же во всей системе Высота потенциального барьера, образованного на границе двух полупроводников будет равна разности термодинамических работ выхода:

j_к = Ф_n-тип - Ф_p-тип=

Рис.4. 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.

Рис. 5. токи в p-n – переходе. Стрелки указывают движение заряженных частиц.

Таким образом, в состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными j_pD, j_nD и дрейфовыми j_nE, j_pE токами электронов и дырок, должен быть равен нулю.

; J_{диффуз.} = J_дрейф. (2)

При приложении напряжения V_G равновесие нарушается и ВАХ диода будет иметь вид:

(3)

Плотность тока насыщения равна сумме дрейфовых электронной j_nE и дырочной j_pE компонент тока

. (4)

Обратный (при V_G < 0) ток в p-n – переходе дрейфовый . Физический смысл прост – в токе участвуют все носители, которые генерируются в цилиндре объёмом (S=1 и длиной ) и вытекающие из этого цилиндра со скоростью, равной скорости диффузии .

Таким образом из (3) ВАХ диода на основе p-n – перехода имеет следующий вид:

Рис. 6. ВАХ диода на основе p-n – перехода.

В несимметричных p⁺-n – переходах течёт только один дырочный (диффузионный и дрейфовый) ток, а в n⁺-p – переходах - только электронный ток.

2.2. Фотодиод при освещении.

При попадании кванта света, с энергией h в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

Так, например, в nGaAs с легирующей концентрацией 10¹⁴см^-3, концентрация основных носителей электронов составляет 10¹⁴см^-3, а концентрация неосновных носителей – дырок – 1см^-3. Поэтому, если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 10¹⁰см^-3 неравновесных носителей, то проще зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

где и - концентрация неосновных носителей.

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

(5)

и - неравновесная концентрация фотогенерированных неосновных носителей на расстояние L_n, L_p от области пространственного заряда в квазинейтральном объёме эмиттера и базы диода.

Обычно эмиттер фотодиода p⁺-n делают тонким l<< L_p,L_n, так, чтобы поглощение света происходило в n базе фотодиода, тогда

(6)

Поскольку в стационарных условиях G = R = , то

величина фототока J_Ф будет

где G - темп генерации неравновесных носителей. В случае слабого поглощения число поглощённых фотонов в единичном объёме будет равно . Тогда темп генерации выразится в виде

G =

Здесь h–квантовый выход, a – коэффициент поглощения и Ф – падающий световой поток (число квантов в ед. времени на ед. площади) .

Величина фототока J_Ф здесь имеет величину

(7)

Фототок J_Ф постоянен, не зависит от полярности и величины приложенного напряжения V_G, и направлен от n – области к p – области полупроводника.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной области p-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры диффузионная длина L_p порядка 100мкн, а ширина обедненной области p-n перехода 1мкн. Поэтому, основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме базы фотодиода и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

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.

2.3. p-i-n фотодиод.

Указанные недостатки фотодиода на основе p-n – перехода устраняются в фотодиодах, где между p и n областями расположен i слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой W>>Lp с тем чтобы поглощение света происходило в этой области. Поскольку в i- слое свободные носители отсутствуют, при обратном смещении p-n – перехода всё приложенное напряжение будет падать на i- слое. Фотогенерированные носители в i- слое будут разделяться в сильном электрическом поле и фотоотклик таких диодов будет быстрым. На рисунке 8 приведена конструкция и энергетическая диаграмма, иллюстрирующая принцип работы p-i-n - фотодиодов.

Рис.8. Принцип работы р - i – n фотодиода . а — поперечный разрез диода; б — зонная диаграмма в условиях обратного смещения; в — распределение интенсивности излучения.

2.3. ВАХ фотодиода на основе p-n – переходов при освещении с внешним напряжением.

Уравнение для активного режима работы фотодиода при наличии V_G, R принимает вид

. (8)

В отсутствии внешнего источника V_G, это напряжение на нагрузочном сопротивлении R включено на выход фотодиода и обусловлено фототоком при освещении фотодиода. Рассмотрим два частных случая уравнения (8).

Разомкнутая цепь. При разомкнутой внешней цепи (R=¥),для случая , когда внешнее напряжение отсутствует, ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотодиода будет максимальным. Эту величину V_G называют напряжением холостого хода V_XX. Из уравнения (8), при условии J=0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J_ф и тока нагрузки J_s рассчитать напряжение холостого хода V_XX

(9)

Напряжение V_XX (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотодиода вольтметр, но внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p-n-перехода.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания, напряжение на выводах фотодиода V_G = 0. Тогда из уравнения (8) следует, что ток короткого замыкания J_КЗ во внешней цепи равен фототоку J_ф,

J_КЗ= J_ф (10)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J_Ф.

На рис.9 показано семейство ВАХ фотодиода, как при отрицательной так и при положительной поляризации фотодиода, рассчитанные по уравнению (8). При положительных напряжениях V_G ток фотодиода быстро возрастает (пропускное направление) с увеличением напряжения. При освещении же общий прямой ток через диод уменьшается, так как фототок направлен противоположно току от внешнего источника.

ВАХ p-n – перехода, располагаясь во II квадранте, показывает, что фотодиод можно использовать как источник тока. На этом основан принцип работы солнечных батарей на основе p-n - переходов.

Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой характеристика величины фототока J_Ф от светового потока Ф, падающего на фотодиод. Сюда же относится и зависимость V_XX от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотодиоде при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотодиод. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

J_ф = К*Ф (11)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода

В фотодиодном режиме, как следует из уравнение (7), ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения V_G.

Рис.10. Световая характеристика фотодиода

Коэффициент пропорциональности К в уравнение (11) получил название интегральной чувствительности фотодиода.

Спектральная чувствительность

Будем теперь освещать фотодиод монохроматическим светом с некоторой длиной волны l. Величину светового потока Ф будем поддерживать постоянной при любой длине волны света. Зависимость фототока J_Ф() будет определяться зависимостью квантового выхода и коэффициента поглощения от длины волны

J_Ф() ~

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны, причём спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода от длины волны, а в области коротких длин волн - с зависимостью коэффициента межзонного поглощения от длины волны. Обе зависимости имеет красную границу, поскольку при энергии квантов меньше ширины запрещённой зоны Еg межзонное поглощение света не происходит.

Рис.11. Кривые спектральной чувствительности: 1) германиевого, 2) кремниевого фотодиодов.

Влияние неоднородного поглощение по глубине фотодиода на спектральную чувствительность показано на рисунке ниже. Коротковолновое излучение имеет высокое значение коэффициента поглощения , поэтому поглощается в основном в приповерхностной области эмиттера фотодиода. Очевидно, что в этом случае фототок будет мал, поскольку область поглощения света удалена от p-n – перехода. В случае длинных волн поглощение происходит по всей глубине фотодиода на расстояниях равных или больших диффузионной длины. В этом случае эффективность преобразования будет максимальной. Наконец, при очень больших значениях фототок уменьшается из-за приближения к красной границе фотоэффекта.

Рис. 12. Зависимость скорости генерации электронно-дырочных пар от расстояния от поверхности для длинноволнового и коротковолнового света (а), размеры фотодиода и характерные длины диффузии неосновных носителей (б).

3. Описание экспериментальной установки.

Для исследования характеристик фотодиода используется экспериментальная установка, блок схема которой приведена на рис.12. Свет от источника "Л"(лампа накаливания) фокусируется с помощью линзы "L" на входную щель "S" монохроматора "М". В монохроматоре стоит призма "П", которая разлагает падающий на нее пучок белого света в спектр. Вращая барабан "Б", на выходную щель монохроматора "S" можно подавать свет с той или иной длиной волны l. Для определения длины волны на барабан нанесены деления, которые определяют угол поворота барабана в градусах.

Свет, выходящий из выходной щели монохроматора, падает на фотодиод. В результате в цепи фотодиода протекает фототок.

Рис.12. Блок-схема для измерения характеристик фотодиода:

"Л" - лампа накаливания, "L" - фокусирующая линза, "М" - монохроматор, "П" - призма, "Б" - барабан, "S₁" и "S₂" - входная и выходная щели монохроматора, ФД - фотодиод, "В" - выключатель, "А"-микроамперметр, "V" - вольтметр, "И" - источник напряжения, 1 и 2- клеммы для подключения микроамперметра, 3 и 4 - клеммы для подключения внешнего источника напряжения.

Для исследования фотодиода в режиме короткого замыкания выключатель "В" переводят в верхнее положение, тогда фотодиод замыкается через микроамперметр "А". Для исследования фотодиода в фотодиодном режиме выключатель "В" переводят в нижнее положение, тогда на фотодиод будет подаваться напряжение U, контролируемое вольтметром "V". Микроамперметр по-прежнему включен в цепь фотодиода.

4. Порядок выполнения работы.

1) Произвести измерения темновой вольт амперной характеристики в обратном и прямом направлении.

Перевести переключатель панели в положение "обратное". На источнике Б5-45 последовательно выставлять напряжения Uобр =( 0.1-8) В через 1В

Напряжение на диоде фиксируется по вольтметру V2/

Ток диода определяется по формуле I_обр=V1/10⁴, где V1 показания вольтметра V1.

Перевести тумблер в положение "прямое". На источнике Б5-45 последовательно выставлять напряжения

Uпр= (0.02- 0.08) В через 0.02В;

В том же порядке зафиксировать значения напряжения и тока.

2) Определить спектральную характеристику фотодиода.

Переключить тумблер в положение "обратное", на источнике выставить напряжение 5В. Установить ширину входной щели монохроматора 4мм. Включить лампу освещения. Ручкой на лицевой панели монохроматора выставить необходимую длину волны с шагом 50 нм. Измерение фототока диода производится по вольтметру V1 (I_ф =V1/). Снять спектральную зависимость I_ф =I(l) в интервале длин волн (900 – 500) нм .

3) Произвести измерения вольт амперной характеристики при освещении в обратном и прямом направлении.

При длине волны , соответствующей максимуму фототока I_ф снять фото ВАХ в прямом и обратном направлении (ширина щели d=4мм).

Построить ВАХ (темновую и при освещении на одном графике).

4) Исследовать работу диода в режиме ЭДС.

Переключить тумблер в положение ЭДС, измерить зависимость сигнала ЭДС напряжение холостого хода V_XX по вольтметру V2 от величины светового потока, который изменяется шириной входной щели от 4 до 0 (мм) с шагом 1мм. Длина волны соответствует максимуму фототока I_ф.

4.2. Контрольные вопросы.

1. Что такое фотодиод?

2.Как образуется потенциальный барьер p-n-перехода?

3.Нарисуйте зонные диаграммы, поясняющие работу фотодиода при освещении.

4.Нарисуйте ВАХ фотодиода. Почему при освещении обратный ток фотодиода увеличивается а прямой ток уменьшается?

5.Что такое световая характеристика фотодиода?

6.Как зависит фототок от длины волны света?

7.Почему в области больших длин волн или малых энергий фотона

фототок резко спадает?

5. Литература

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. // М.: Мир. 1984, Т. 1 455 с. Т.2 455 с.

2. Маллер Р.А, Кейминс Т. Элементы интегральных схем. // М.: Мир, 1986, 630 с.

3. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектронника. (Физические и технологические основы, надежность). // М.: Высшая школа. 1995, 464 с.

4. Справочник. Полупроводниковые приборы. Нефедов А.В., Гордеева В.И. Диоды. Оптоэлектронные приборы.// М.: КУбК-а. 1998, 401 с.

6.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.

1. Не включать приборы в сеть, не ознакомившись с работой и не получив

допуск к работе у преподавателя или инженера .

2. Не подавать на фотодиод прямое напряжение больше 1 В!

3. Руководствоваться следующими основными параметрами фотодиодов:

Параметры	ФД 1	ФД 2	ФД 3	ФД 4
Рабочее напряжение, В.	15	30	10	20
Макс. Обратное напряжение,В	20	50	15	25
Темновой ток насыщ.(мкА),меньше	30	25	15	3
Площадь фоточувств.поверх.(мм^2)	5	1	2	2
Максимальное прямое напряж.,В	1	1	1	1
Интегральная чувствит.,мА/лм.	5	1	2	2