Фотодиоды. 
Принцип действия. 
Характеристики, параметры

Фотодиоды представляют собой р-п переход, работа которого описывается соотношением.

где — плотность фототоков и обратного тока p-n перехода соответственно, обусловленная неосновными носителями тока в полупроводнике;

— плотность обратного тока насыщения;

?Е — ширина запрещенной зоны полупроводника;

e — заряд электрона;

ц — разность потенциалов на p-n переходе.

Режим работы фотодиода зависит от смещения и нагрузки. В первом случае различают вольтаический (фотовентильный) при нулевом и фотодиодный при обратном смещениях режимы работы.

Во втором — возможны линейный (R_H много меньше дифференциального сопротивления фотодиода) и логарифмический (R_H~10¹¹ Ом) режимы.

В фотодиодном режиме наблюдаются более высокое быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон. Недостатком этого режима является темновой ток, значение которого изменяется при колебаниях температуры. При этом может наблюдаться и избыточный шум, исчезающий при нулевом смещении.

Световая характеристика фотодиода строго линейна в широком диапазоне освещенностей вплоть до высоких уровней возбуждения порядка 10¹⁸ — квант.

Основной недостаток фотодиода — малый коэффициент усиления. Быстродействие фотодиода определяется процессами, связанными с разделением пары электрон — дырка, возникшей при поглощении излучения полем p-n перехода.

Для эффективной работы фотодиода необходимо, чтобы основная часть фотонов поглощалась в обедненном слое. Глубина проникновения фотона в полупроводник тем больше, чем больше длина волны. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо иметь тонкий p — слой и толстый обедненный слой для получения фототока от длинноволновых фотонов. Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника и обратного смещения.

В реальных конструкциях для минимизации последовательного сопротивления при сохранении максимальной ширины обедненной области одна область легируется значительно сильнее другой. Тогда обедненный слой формируется практически на менее легированной стороне перехода. В результатe создается асимметричный резкий переход. В структурах на основе GaAs и его трехкомпонентных сплавах p — область делается тоньше и легируется сильнее, чем n-область, так что устройство формируется в основном в материале n типа, а p — слой является фактически контактным слоем.

Для такого асимметричного перехода полная плотность тока где б — коэффициент оптического межзонного поглощения;

W — ширина обедненного слоя;

Lp — длина диффузии дырок;

P_n0 — равновесная концентрация дырок;

D — коэффициент диффузии дырок.

Первое слагаемое соответствует фототоку с квантовой эффективностью (число носителей, генерируемых одним фотоном) Второе слагаемое представляет собой обратный ток утечки (темновой ток) в результате термической генерации дырок в n — области.

В оптоэлектронике особенно распространены кремниевые фотодиоды. Их характеристики приведены в табл.

оптоэлектроника фотодиод физический.