Полупроводниковые фотодиоды

Если в решетке полупроводника присутствуют примеси, введенные управляемым способом (легирование), положение уровня Ферми в запрещенной зоне может измениться. В результате легирования в проводниках n-типа становится намного больше электронов в зоне проводимости, чем дырок в валентной зоне. В этом случае уровень Ферми располагается ближе к зоне проводимости, и электроны называются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. В полупроводниках p-типа ситуация обратная, и дырок в валентной зоне намного больше, чем электронов в зоне проводимости. Теперь дырки — основные носители, а электроны — неосновные носители. Уровень Ферми в этом случае располагается ближе к валентной зоне.

Полупроводниковые фотодиоды.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый р-го-переход. При формировании такого перехода между двумя типами полупроводников образуется сильное внутреннее электрическое поле. Внутри этой области электроны и дырки, создавшиеся в результате поглощения фотонов, «выметаются» полем, оставляя объем, обедненный зарядами. Эта ситуация показана на рисунке. Следовательно, такой переход может служить оптическим приемником, если его конструктивно реализовать так, чтобы входное излучение падало на обедненную область. В результате преобразования оптической энергии образуются электронно-дырочные пары, которые будут «выметены», создавая разделение и накопление зарядов. Это накопление зарядов можно обнаружить двумя способами, в зависимости от того, как область перехода электрически подсоединена. Если переход подключен к разомкнутой цепи, то напряжение на переходе измеряется в фотогальваническом режиме. Если, с другой стороны, переход подключен к короткозамкнутой цепи (или даже в режиме обратного смещения), то течет внешний ток, замыкая цепь между областями. При такой схеме ток измеряется в фотпорезистпорном режиме.

Эквивалентная схема фотодиода показана на рисунке. Эта цепь может быть нагружена двумя способами. Схема на рисунке, а соответствует фотогальваническому способу измерений, и Rl выбирается таким, чтобы протекал минимальный внешний ток г£. Схема на рисунке соответствует фоторезисторному способу измерений. В этом случае при освещении перехода через нагрузочное сопротивление будет протекать значительный ток.

Вольт-амперная характеристика типичного фотодиода приведена на Характеристики диода с разомкнутой цепью можно оценить, проанализировав пересечения между кривыми зависимостей i-v при различных условиях освещения и осью г = 0. Из графиков понятно, что в этом случае напряжение в разомкнутой цепи при увеличении мощности падающего излучения изменяется нелинейно.