Типовые структуры быстродействующих pin фотодиодов

Любой фотодиод является преобразователем оптического излучения в электрический сигнал, который основан на физических процессах, происходящих в р-n переходе. Поэтому, когда отсутствует внешнее электрическое поле, в области р-n перехода существует внутреннее электрическое поле, препятствующее движению носителей. При облучении перехода светом с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, возникают электронно-дырочные пары, диффундирующие в область перехода. Там они разделяются внутренним полем, причем электроны перемещаются в n-область, а дырки — в р-область, генерируя тем самым ЭДС за счет фотовольтаического эффекта.

Аналогичный процесс можно наблюдать, если включить р-n переход в электрическую цепь и подать на него обратное напряжение. В этом случае в области перехода возникнет обедненный слой, в котором действует значительное электрическое поле, а носители заряда отсутствуют. При освещении диода возникшие в этой области носители разделяются и ускоряются полем таким образом, что электроны движутся в n-слой, а дырки в р-слой, создавая в результате этого ток, протекающий во внешней цепи р-n структуры. Из-за диффузионного движения носителей вне обедненного слоя обычные фотодиоды из германия и кремния характеризуются спадом частотной характеристики уже при нескольких десятках килогерц. Снизить влияние диффузионного движения носителей и улучшить характеристики диода можно, увеличив толщину обедненного слоя и напряжение смещения, но в таком случае снижается напряженность электрического поля. Для устранения этого недостатка создана p-i-n структура фотодиода — p-i-n фотодиод.

p-i-n фотодиод (p-i-n диод), является наиболее распространенным типом детектора оптического излучения, что объясняется простотой его производства и использования, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и широкой полосой рабочих частот.

Основным отличием данного типа диодов от обычных диодов с р-n переходами является наличие между сильнолегированными р+ и n+ слоями полупроводника так называемого i-слоя, который представляет собой слаболегированный полупроводник п-типа толщиной несколько десятков микрометров. Ввиду отсутствия в i-слое свободных носителей его иногда называют обедненным слоем. Так как сильное легирование слоев увеличивает проводимость этих слоев, внешняя разность потенциалов, приложенная к р+ и п+ слоям, создает в i-слое градиент электрического поля. При подаче на p-i-n структуру напряжения обратной полярности из-за того, что в i-слое нет свободных носителей, данный слой поляризуется, и через нагрузку протекает постоянный ток I_т малого уровня, который носит название темпового тока. Значение этого тока определяется параметрами материала полупроводника, топологией p-i-n структуры и температурой окружающей среды. При воздействии на i-слой внешним излучением в нем образуются свободные электронно-дырочные пары, которые быстро разделяются и, ускоряясь приложенным электрическим полем, двигаются к электродам в противоположных направлениях, создавая во внешней цепи диода электрический ток I_ph.

Так как энергия фотона обратно пропорциональна λ, идеальный фотодиод с невысокой степенью рекомбинации, генерируя одну электронно-дырочную пару на фотон, обусловливает пропорциональную длине волны чувствительность к оптическому излучению. При верхней критической длине волны энергия фотона становится ниже энергии запрещенной энергетической зоны, вызывая более или менее резкое падение чувствительности фотодиода. В зависимости от уровня запрещенной зоны материала, из которого выполнен фотодиод, различаются и его спектральные характеристики. Так, наиболее часто используемым материалом в области, близкой к инфракрасной (850 нм), является Si, тогда как Ge, InGaAs или InGaAsP используются для длин волн, превышающих 1 мкм.