р-i-n-ФОТОДИОДЫ

В фотодиоде необходимо совместить область поглощения света с обедненным слоем, чтобы одновременно удовлетворить требованиям быстродействия и высокого квантового выхода. Это реализуется в фотодиодах с p-i-n-структурой, которые являются наиболее распространенным типом фотодетекторов.

Рис. 6. Принцип работы p-i-n-фотодиода: а) структура диода; б) распределение электрического поля; в) распределение интенсивности света Ф_ω и скорости генерации G; г) зонная диаграмма при обратном смещении U

Структура и принцип действия p-i-n -фотодиода пояснены на рис. 6. Он состоит из низкоомной n⁺-подложки, слабо легированного (собственного) i-слоя и тонкого низкоомного p⁺-слоя толщиной до 0,3 мкм, через которые производится освещение. Низкоомные n⁺- и р⁺-области выполняют роль контактов (а). Наличие центрального высокоомного i-слоя приводит к увеличению ширины слоя объемного заряда (б) по сравнению с обычным p-n-переходом. Его толщина d_i подбирается так, чтобы поглощение света происходило в этом i-слое (в), совпадающем со слоем объемного заряда. При приложении обратного смещения U обедненный слой распространяется на всю i-область. Это приводит к уменьшению емкости перехода, повышению чувствительности и быстродействия. Падающий свет, затухая по экспоненциальному закону с постоянной, определяемой показателем поглощения k_ω для данной длины волны, вызывает генерацию носителей заряда преимущественно в i-слое. Фотогенерированные носители ускоряются электрическим полем до скорости насыщения дрейфа (~ 10⁵ м/с), поскольку напряженность электрического поля в обедненном слое обычно превышает 1 кВ/см. Эта скорость дрейфа примерно на три порядка превышает скорость диффузии. Поэтому p-i-n-фотодиод конструктивно выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощенного света вне i-слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла (как это реализуется в кремниевых фотодиодах), или используется эффект широкозонного окна (как в p-i-n-гетерофотодиодах).

Приложение 1.

Фототок через р-n-переход протекает независимо от приложенного напряжения. Тогда выражение для полного тока будет иметь вид

. (2)

В промежуточном случае, когда p-n-переход нагружен на сопротивление R, ток и напряжение находят из общего уравнения фотодиода (2):

(6)

Т.е. другими словами если p-n-переход последовательно замкнут на сопротивление нагрузки и при этом сам же является источником питания, т.е. фототока, то поскольку при последовательном подключении элементов в цепи ток на всех элементах будет одинаковый, то

(7)

тогда

(8)

Откуда получаем выражение (6).