Исследование полупроводниковых фотодиодов

Работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОДИОДОВ

Целью работы является исследование характеристик и определение основных параметров приемников оптического излучения – полупроводниковых фотодиодов.

1.1. Основные сведения о полупроводниковых фотодиодах

Фотодиоды в настоящее время являются наиболее распространенными приемниками излучения. Основным элементом фотодиода является р‑n‑переход, наличие потенциального барьера и внутреннего электрического поля в котором создает благоприятные условия для пространственного разделения носителей заряда, созданных в результате фотоактивного поглощения света. Это позволяет использовать фотодиодные структуры как для детектирования электромагнитного излучения оптического диапазона, так и для генерирования фото-ЭДС и преобразования оптической мощности в электрическую.

Рассмотрим p-n-переход, на который со стороны p-области падает оптическое излучение с энергией фотонов ħω, как это показано на рис. 1.1. Будем считать, что коэффициент поглощения kω в полупроводнике не очень велик и свет глубоко проникает в структуру, достигая области объемного заряда и n-области. В этом случае в соответствии с законом Бугера–Ламберта в каждой из областей фотодиодной структуры будет происходить поглощение фотонов с энергией ħω > Eg. Электроны, находящиеся в валентной зоне, в результате квантовых переходов с поглощением фотона будут переходить в свободное состояние в зоне проводимости, а на их месте в валентной зоне появятся дырки, т. е. будет происходить процесс генерации электронно-дырочных пар (внутренний фотоэффект). У фотонов с ħω < Eg будет недостаточно энергии для генерации пар, и фотоактивного поглощения происходить не будет.

Если поглощение фотона произошло в p- или n-области далеко от области объемного заряда, то для сгенерированных неравновесных носителей будет очень высока вероятность рекомбинации. В области объемного заряда p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле Е, под воздействием которого свободные носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны – против поля в n-область, а дырки – по полю в p‑область (процесс 1 на рис. 1.1). Однако толщина слоя объемного заряда обычно очень мала, поэтому вероятность поглощения фотона в этой области также незначительна. Генерация светом избыточных носителей заряда происходит в основном в областях, непосредственно примыкающих к p-n-пере­ходу (процессы 2 и 3). Эти избыточные носители заряда диффундируют к области объемного заряда. Если генерация произошла на расстоянии меньшем, чем диффузионная длина Ln или Lp для неосновных носителей заряда, то они успеют дойти до p-n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями. В области объемного заряда неосновные носители подхватываются полем и выбрасываются в противоположную область структуры. Созданные светом и разделенные p-n-переходом избыточные носители заряда накапливаются в разных областях, при этом p-область будет заряжаться положительно, а n‑область – отрицательно.

Таким образом, под действием света в p-n-переходе происходит разделение носителей заряда и в режиме холостого хода в фотодиоде возникает разность потенциалов Uхх. При замыкании контактов через нагрузку будет течь фототок Iф, пропорциональный скорости генерации G избыточных электронно-дырочных пар в области, ограниченной диффузионными длинами неосновных носителей заряда. Этот фототок будет изменять (уменьшать) контактную разность потенциалов, вследствие чего через переход начнет проходить ток в прямом направлении, значение которого