Розрахунок фотодіода

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

ІТРЕ

  Кафедра "Електронні прилади"

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни:

Функціональна електроніка

на тему:

Розрахунок фотодіода

Варіант № 9

   Виконав:

                                                                  ст. групи ЕЛ-21

                                                                                
     Писарчук М.І.

                                                        Прийняв:

                                               проф. Кожухар О.Т.

Львів 2016

ЗМІСТ

ВСТУП...........................................................................
..................................... 3

РОЗДІЛ 1...............................................................................
.............................. 4

ТИПИ, БУДОВА, ЗАСТОСУВАННЯ ТА ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ФОТОДІОДІВ     4

1.1. Поняття, позначення та будова фотодіода............................................... 4

   1.2. Основні характеристики фотодіода………………………………………….6

1.3. Класифікація фотодіодів......................................................................
..... 8

1.4. Загальне застосування фотодіодів.......................................................... 14

1.5.  Застосування фотодіодів в оптичних ідентифікаторах. Лавинні фотодіоди         15

1.6. Порядок розрахунку фотодіода............................................................. 23

РОЗДІЛ 2...............................................................................
............................ 29

РОЗРАХУНОК ГЕРМАНІЄВОГО ФОТОДІОДУ З P-N ПЕРЕХОДОМ......... 29

ВИСНОВОК........................................................................
.............................. 33

CПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ:................................................... 34

ВСТУП

Функціональна електроніка охоплює питання використання різноманітних фізичних явищ у твердих середовищах для інтеграції різних схемотехнічних функцій в обсязі одного твердого тіла.

Функціональна електроніка орієнтується на переважне використання хвильових процесів і розподілену взаємодію електромагнітних полів з електронами і атомами у твердих середовищах. При створенні приладів можуть бути використані матеріали різної природи - напівпровідники, магнітодіелектрики, п"єзоелектрики, сегнетоелектрики, а також шаруваті гомо- і гетероструктури з цих матеріалів.

В наші дні прогрес в різних областях науки і техніки неосяжний  без приладів оптичної електроніки. Оптична електроніка вже давно грає провідну роль в житті людини. А з кожним роком її впровадження в усі сфери людської діяльності стає все інтенсивніше. І цьому є свої причини. Пристрої оптоелектроніки мають ряд відмінностей від інших пристроїв.

Електронні пристрої містять фотоприймачі. І в більшості сучасних оптоелектронних пристроїв фотодіод представляє основу фотоприймача.

Фотодіоди володіють найкращим поєднанням фотоелектричних параметрів, основних з точки зору використання в оптоелектроніці: високі значення чутливості і швидкодії.

В даній курсовій роботі проведено аналіз розвитку пристроїв функціональної електроніки,зокрема згідно завдання, основних характеристик фотодіодів, принцип дії, особливості будови,застосування , визначено порядок розрахунку фотодіода.

РОЗДІЛ 1

ТИПИ, БУДОВА, ЗАСТОСУВАННЯ ТА ПОРЯДОК РОЗРАХУНКУ ФОТОДІОДІВ

1.1. Поняття, позначення та будова фотодіода

Фотодіо́д — це приймач оптичного випромінювання, який перетворює падаюче на його фоточутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході (рис.1.2). Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від

освітленості.

Рис. 1.2. Фотодіод

Умовні графічні позначення в схемах електричних, радіотехнічних та автоматизації (рис.2.2)

Рис.2.2 Позначення фотодіода на схемах

Будова фотодіоду аналогічна будові звичайного площинного НП діоду (рис.1.3). Він виконаний таким чином, що його перехід одним боком повернутий до скляного вікна, через яке поступає світло, та захищений від світла з інших боків.

Схема ввімкнення фотодіоду наведена на (рис.1.4). Напруга джерела живлення прикладена до фотодіоду у зворотному напрямку. Коли фотодіод не освітлений, в колі проходить зворотний (темновий) струм невеликої величини (10-20 мкА – для , 1‑2 мкА – для ).

         При освітленні фотодіоду з"являється додаткове число електронів та дірок, у зв"язку з чим збільшується перехід неосновних носіїв заряду: електронів з області в область і дірок в зворотному напрямку. Це призводить до збільшення струму в колі. При правильно підібраному опорі навантаження  і напруги джерела живлення  цей струм буде залежати тільки від освітленості приладу, а падіння напруги на опорі можна розглядати як корисний сигнал, який впливає на інші елементи схеми.

Рис.1.3. Структурна схема фотодіода (1-кристал напівпровідника, 2-контакти, 3-виводи, Ф-потік електромагнітного випромінювання, Е-джерело постійного струму, R_h-навантаження)

Рис.1.4. Схема включення фотодіода

         Існує два режими роботи фотодіоду (рис.1.5):

1) фотодіодний – режим роботи фотодіоду із зовнішнім джерелом живлення.У темряві через фотодіод протікає зворотний струм, який залежить від напруги джерела живлення. При освітленні фотодіода до цього зворотного струму додається фотострум, що зростає приблизно пропорційно освітленості;

2) вентильний – режим роботи фотодіоду без зовнішнього джерела живлення, виникає фото-ЕРС, яка є джерелом живлення. Під впливом світла в пластинці напівпровідника вивільняються фотоелектрони; р–п–перехід дає їм змогу проходити лише в напрямі від р до п. Внаслідок цього звільнені світлом фотоелектрони можуть перемішуватися лише в одному напрямі, створюючи в електричному колі струм, значення якого залежить від освітленості.

Рис.1.5.Фотодіод: а– режим роботи без джерела живлення; б– режим роботи з джерелом живлення.

1.2. Основні характеристики фотодіода

1. Вольт-амперна характеристика  – залежність струму фотодіоду від напруги на ньому при постійному значенні світлового потоку  при повному затемненні () через фотодіод протікає темновий струм , який дорівнює сумі зворотного струму насичення переходу та струму витоку (утечки). Із збільшенням світлового потоку  збільшується (рис.1.6,а).

Характерною особливістю робочої області ВАХ є практично повна незалежність струму фотодіоду від прикладеної напруги. Такий режим наступає при зворотних напругах на діоді порядку 1 В. Оскільки темновий струм малий, то відношення струму при освітленні до темнового струму велике, що важливе при індикації освітлення. Якщо зворотна напруга перебільшить деяке допустиме значення, то в переході виникає ефект лавиноподібного розмноження носіїв заряду, який може призвести до виходу фотодіоду з ладу.

2. Світлова характеристика – залежність струму фотодіоду від величини світлового потоку  при постійному значенні на фотодіоді (рис.1.6,б). В широкому діапазоні зміни світлового потоку світлова характеристика фотодіоду є лінійною.

3. Спектральна характеристика показує залежність спектральної чутливості від довжини хвилі падаючого на фотодіод світла (рис.1.6,в).

Фотодіоди є більш швидкодіючими приладами в порівнянні з фоторезисторами. Вони працюють на частотах 107-1010 Гц. Фотодіод часто використовують в оптопарах світлодіод-фотодіод. У цьому випадку різні характеристики фотодіода відповідають різним струмів світлодіода (який при цьому створює різні світлові потоки).

Рис.1.6. Характеристики фотодіода (а-вольтамперна, б- світлова, в-спектральна (1-германієвий фотодіод, 2- кремнієвий фотодіод)

Параметри фотодіодів:

1. Інтегральна чутливість  - відношення фотоструму діода до інтенсивності падаючого немонохроматичного випромінювання заданого спектрального складу:

.

2. Робоча напруга  - постійна напруга, прикладена до фотодіоду, при якій забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі у заданих експлуатаційних умовах.

3. Темновий струм  - струм, який протікає через фотодіод при зазначеній напрузі на ньому за відсутності потоку випромінювання у діапазоні спектральної чутливості.

4. Довговічність – мінімальний строк служби фотодіоду при нормальних умовах експлуатації

Допустимі зворотні напруги кремнієвих діодів — 1000–1500 В, а германієвих 100–400 В. Інтервал робочих температур кремнієвого діода — від −60 °C до +150 °C; а для германієвого — від −60 °C до +85 °C. Тому зараз в основному використовують кремнієві діоди.

1.3. Класифікація фотодіодів

Р-і-n фотодіод

PIN-діод - різновид діода, в якому між областями електронної (п) і діркової (р) провідності знаходиться власний (нелегований) напівпровідник (і-область) (рис.1.7.).

Рис.1.7. Функціональна структура р-і-n діода

 Р-і-n області як правило легуються сильно, так як вони часто використовуються для омічного контакту (контакт між металом і напівпровідником або двома напівпровідниками, що характеризується лінійною симетричною вольт-амперною характеристикою (ВАХ))  до металу (рис.1.8.).

Рис.1.8
. Вольт-амперна характеристика p-i-n-діода

Широка нелегована і-область робить пін-діод поганим випрямлячем (звичайне застосування для діода), але, з іншого боку, це дозволяє використовувати його як послаблюючий сигнал у швидких перемикачах, фотодетекторах, а також в високовольтній електроніці.

Характерні p-i-n якості діода проявляються при роботі в режимі сильної інжекції, коли і-область заповнюється носіями заряду з сильнолегованих п⁺ і р⁺ областей, до яких прикладається пряме зміщення напруги. P-і-n діод функціонально можна порівняти з відром води з отвором збоку: як тільки відро наповнюється до рівня отвору, воно починає протікати. Точно так само і діод починає пропускати струм, як тільки заповниться носіями заряду і-область.

Через те, що в і-області дуже низька концентрація носіїв заряду, там практично відсутні процеси рекомбінації . Але в режимі прямого зміщення концентрація носіїв заряду на кілька порядків перевищує власну концентрацію.

      Характеристики:

На високих частотах пін-діод поводиться як практично ідеальний резистор - його вольт-амперна характеристика (ВАХ) лінійна навіть для дуже великого значення напруги. На високих частотах в я-області знаходиться велика кількість накопиченого заряду, який дозволяє дiоду працювати. На низьких частотах заряд в і-області рекомбінує і діод вимикається.

Можна варіювати значення опору в широких межах - від 0,1 до 10 Ом кОм - змінюючи постійну складову струму.

Велика ширина і-області також означає, що p-i-n -діод має невелику ємність при зворотному зміщенні.

     Області просторового заряду (ОПЗ) в p-i-n-діоді практично повністю знаходяться в і-області. У порівнянні зі звичайними, p-i-n-діод має значно більшу ОПЗ, кордони якої незначно змінюються в залежності від прикладеного зворотної напруги. Таким чином збільшується об"єм напівпровідника, де можуть бути утворені електронно-діркові пари під впливом випромінювання (наприклад, оптичного - фотона).

При проектуванні p-i-n-діода доводиться шукати компроміс: з одного боку, збільшуючи величину і-області (а відповідно, і кількість накопиченого заряду) можна домогтися резистивного поведінки діода на більш низьких частотах, але з іншого боку, при цьому для рекомбінації заряду і переходу в закрите стан буде потрібно більше часу. Тому, як правило, p-i-n-діоди кожен раз проектуються під конкретне застосування.

Фотодіод Шоткі

На основі контакту метал-напівпровідник створюються фотодіоди Шоткі. Реальні контакти металу з напівпровідником в даний час створюються методом напилення в вакуумі металу на напівпровідник. Бар"єри Шоткі утворюються як на контакті металу з напівпровідником п-типу, так і з напівпровідником р-типу (рис.1.9.).

Рис.1.9. Структура фотодіода з бар"єром Шоткі

Такі фотодіоди виконуються  з кремнію, на поверхню якого нанесено прозорий металічний шар з плівок золота ( h=0,01 мкм) і серністого цинку   ( h=0,05 мкм),який і створює бар"єр Шоткі.  Швидкодія в такому випадку є досить високою (F_гр >10¹⁰ Гц). Бар"єр Шоткі  - потенційний бар"єр, що утворюється в шарі напівпровідника, що межує з металом, рівний різниці робіт виходу (енергій, що витрачаються на видалення електрона з твердого тіла або рідини в вакуум) металу і напівпровідника.

Спектральна характеристика фотодіода на основі контакту метал-напівпровідник ширше, ніж спектральна характеристика фотодіода з р-n-переходом з того ж напівпровідника, так як поглинання квантів випромінювання відбувається в металі з енергією, меншою ширини забороненої зони. У діодах Шоткі не відбувається накопичення заряду неосновних носіїв, інерційність цих приладів визначається тільки часом прольоту фотоносіїв через область об"ємного заряду . Бар"єри Шоткі відрізняються простотою їх створення та виготовлення на різноманітних напівпровідниках, в тому числі і на таких, в яких не вдається отримати класичний р-n перехід.

Лавинний фотодіод

Лавинні фотодіоди високочутливі напівпровідникові прилади, що перетворюють світло в електричний сигнал за рахунок фотоефекту. Їх можна розглядати в якості фотоприймачів, що забезпечують внутрішнє посилення (рис.1.10) .

Рис.1.10. Структура лавинного фотодіода на основі кремнію: 1 - омічні контакти, 2 - антивідбиваюче покриття

З функціональної точки зору вони є твердотільними аналогами фотопомножувачів. Лавинні фотодіоди мають більшу чутливість у порівнянні з іншими напівпровідниковими фотоприймача, що дозволяє використовувати їх для реєстрації малих світлових потужностей (≲ 1 НВТ).

При подачі сильного зворотного зсуву близького до напруги лавинного пробою (Пробій - електричний пробій в діелектриках і напівпровідниках, обумовлений тим, що, розганяючись в сильному електричному полі на відстані вільного пробігу, носії заряду можуть придбавати кінетичну енергію, достатню для ударної іонізації атомів або молекул матеріалу при зіткненнях з ними.) , зазвичай порядку декількох сотень вольт для кремнієвих приладів), відбувається посилення фотоструму (приблизно в 100 разів) за рахунок ударної іонізації (лавинного множення) генерованих світлом носіїв заряду. Суть процесу в тому, що енергія утворився під дією світла електрона збільшується під дією зовнішнього прикладеного поля і може перевищити поріг іонізації речовини, так що зіткнення такого «гарячого» електрона з електроном з валентної зони може привести до виникнення нової електрон-діркової пари, носії заряду якої також будуть прискорюватися полем і можуть стати причиною утворення все нових і нових носіїв заряду.

Фотодіод з гетероструктурою

Контакт двох різних за хімічним складом напівпровідників. На кордоні розділу ПП зазвичай змінюються ширина забороненої зони, рухливість носіїв заряду, їх ефективні маси та інші характеристики.

Завдяки p-n-переходу в кристалах вдалося здійснити інжекції електронів і дірок, а проста комбінація двох p-n-переходів дозволила реалізувати монокристалічні підсилювачі з хорошими параметрами - транзистори. Найбільшого поширення набули структури з одним p-n-переходом (діоди і фотоелементи).

Гетерофотодіоди представляють собою одну з найбільш бурхливо розвиваються різновидів оптоелектронних фотоприймачів. У конструкції будь-якого гетерофотодіода виділяються насамперед дві області: «ширококутного вікна» і активний фоточутливий шар. Широкозонне вікно без втрат пропускає випромінювання до активної області та в той же час є контактним шаром з малим послідовним опором. Процеси в активній області - поглинання випромінювання, накопичення (збирання) генеруються носіїв заряду - в значній мірі протікають так само, як і в кремнієвої pin-структури. Важлива відмінність полягає в тому, що вибором відповідного напівпровідникового з"єднання фоточутливого шару вдається забезпечити повне поглинання випромінювання (у тому числі і в ІЧ-області) при товщині цього шару порядку 1 мкм.

Найважливішою перевагою гетерофотодіодів є їх фізична і технологічна сумісність з пристроями інтегральної оптики. Безсумнівно корисним може виявитися те, що вони можуть бути виготовлені на одному кристалі з випромінювачем і мікросхемою, тобто відкривається можливість створення універсальних монолітних оптоелектронних елементів двостороння. Основні матеріали гетерофотодіодів - GaAlAs для l ~ 0,85 мкм і InGaAsP, InGaAs для l = 1,3 ... 1,55 мкм. Розвиток лавинних гетерофотодіодів малоймовірний,  але їх альтернативою є інтегровані структури, в яких на одному кристалі напівпровідника об"єднані гетерофотодіод і транзистор.

Застосування досконалих гетероструктур (з низькою щільністю поверхневих станів) відкриває можливості створення фотодіодів з ККД, близьким до 100%. Поєднання малого часу розсмоктування нерівноважних носіїв заряду і малого значення бар"єрної ємності забезпечує високу швидкодію гетерофотодіодов. Такі прилади можуть ефективно працювати при малих зворотних напругах. Підбираючи пари напівпровідникових матеріалів можна отримувати фотодіоди, що працюють в будь-якій частині оптичного діапазону довжин хвиль.  Внаслідок хороших можливостей вибору матеріалу бази досягається значення ЕРС у гетерофотодіодов становить (0,8 ... 1,1) В, що в два-три рази вище, ніж у кремнієвих фотодіодів. Основний недолік гетерофотодіодів притаманна гетероструктур - складність виготовлення.

1.4. Загальне застосування фотодіодів

Фотодіод є складовим елементом у багатьох складних оптоелектронних пристроях. І тому він знаходить широке застосування. Фотодіоди застосовують в різних областях науки і техніки. Це обумовлено чутливістю фотодіодів у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектру, можливістю роботи при невеликій напрузі і малому струмі, слабкими шумами, великим терміном служби, а також простотою схеми застосування. Так, в обчислювальній техніці фотодіоди використовують в пристроях введення і виведення інформації. Швидкість зчитування інформації досягає 2000 знаків в секунду. Широко використовують фотодіоди в реєструючих і вимірювальних приладах фотометрії, в кіноапаратурі і фототелеграфії.

В останні роки фотодіоди стали застосовувати для автоматизації виробничих процесів. Широке застосування фотодіоди повинні знайти в швидко розвивається оптоелектроніці. В основному фотодіоди використовують в фотодіодному режимі, т. е. при зворотному зміщенні р-н переходу.

Фотодіоди, що працюють в режимі фотогенератора, часто застосовують в якості джерел живлення, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Вони називаються сонячними елементами і входять до складу сонячних батарей, які використовуються на космічних кораблях. В даний час ведуться розробки наземних сонячних батарей. З напівпровідникових матеріалів, що забезпечують найбільш високий к. к. д., в сонячних елементах використовують кремній, фосфід індію, арсенід галію, сульфід кадмію, телурид кадмію і ін. к.к.д. кремнієвих сонячних елементів складає близько 20%, а плівкові сонячні елементи можуть мати значно більший к. к. д.

Внутрішній фотоефект використовується також в більш складних фотоелектронних приладах для збільшення їх фоточутливості - фототранзисторах і фототиристори.

1.5.  Застосування фотодіодів в оптичних ідентифікаторах. Лавинні фотодіоди

Фотодіоди з інжекційним підсиленнямперспективні для створення високоефективних фотоелектричних пристроїв, чутливих практично у всіх областях оптичного спектру. ІФД відрізняються гарними граничними характеристиками. Використання їх можливе як в аналоговому, так і в дискретному режимах.

Кількість матеріалів, у яких спостерігалося інжекційне підсилення, дуже велика. Це, наприклад, германій, компенсований Au, Hg, Сu і ін., кремній що має глибокі рівні Zn, В і ін. Інжекційне підсилення вивчалося в діодах на основі бінарних з"єднань і твердих розчинів. В залежності від ширини забороненої зони напівпровідника і глибини залягання домішок ІФД можуть працювати як при кімнатній, так і при більш низьких температурах.

Значна частина досліджень проведена для ІФД, чутливих у ІЧ області спектру (наприклад, діоди на основі Ge, InSb). Проте виявлені закономірності інжекційного підсилення в основних рисах поширюються і на діоди на основі широкозонних матеріалів, чутливі в більш короткохвильовій області спектру.

Фотоприймачі з інжекційним підсиленням перспективні для використання у функціональних вузлах мікроелектронної апаратури (S-діоди), в пристроях криоелектроніки. Чутливістю інжекційних фотоприймачів можна керувати, використовуючи спільну дію світла і магнітного поля. Фоточутливість можна підвищити, створюючи в базі градієнт концентрації домішок або роблячи ІФД складовою частиною біполярного або одноперехідного транзистора.

Лавинні фотодіоди

Широкий розвиток лазерної техніки викликав необхідність створення швидкодіючих фотодетекторів, що мають високу чутливість до світла з визначеною довжиною хвилі і мають властивості вутрішнього підсилення. Лавинні фотодіоди (ЛФД) широко використовуються для реєстрації і вимірювання в різноманітних системах опрацювання оптичної інформації, виявлення слабких випромінювань, зоряної орієнтації і навігації та ін. Найбільш широко розвинуте застосування ЛФД у волоконно-оптичних лініях зв"язку (ВОЛЗ). ЛФД на основі кремнію мають внутрішнє підсилення до 103, високу чутливість (до 100 А/Вт) на довжині хвилі =0,9 мкм, малу інерційність (~0,5 нс), низький поріг (до 10-15 Вт∙Гц-1/2).

Ефекти лавинного множення у напівпровідниках.

У звичайному фотодіоді при поглинанні світла виникають електронно-діркові пари, причому при поглинанні одного фотона утвориться одна електронно-діркова пара. Неосновні носії цих пар або рекомбінують, або протікають через p-n-перехід, породжуючи фотострум. У ЛФД носії, що проходять через p-n-перехід, одержують в сильному полі переходу енергію, достатню для ударної іонізації атомів решітки, і створюють на своєму шляху повторні пари. В результаті струмовий сигнал за рахунок лавинного множення збільшується. Для розвитку лавини необхідне виконання двох умов: товщина збіднілої області p-n-переходу, у якій зосереджене внутрішнє електричне поле, повинна перевищувати довжину вільного пробігу неосновних носіїв заряду; енергія, що накопичується неосновними носіями в області переходу, повинна бути достатньою для збудження валентних електронів напівпровідника, тобто перевищувати поріг ударної іонізації:

qUi = (2 .3)Eg. (2.1)

Рис. 1.11. Структура ЛФД (а), розподіл електричного поля (б).

При виконанні цих умов створюються повторні пари носіїв, що розділяються полем переходу. Товщина області об"ємного заряду переходу і напруженість внутрішнього електричного поля в ній при даному зсуві залежать від структури діода і від питомого опору напівпровідника (рис. 1.11). Тому напруга лавинного пробою пов"язана з питомим опором матеріалу

Uл.п = b (для Ge b = 85, = 0,62). (2.2 )

Лавинне підсилення фотоструму, що проходить через освітлений p-n-перехід, використовується в ЛФД, що працюють у передпробійному режимі. Залежність коефіцієнта лавинного підсилення від напруги на фотодіоді виражається наближеним співвідношенням Міллера

M = [1 - (U / Uл.п)n]-1, (2.3)

де n – коефіцієнт, що залежить від іонізаційних можливостей електронів і дірок, від довжини хвилі прийнятого випромінювання, а також від матеріалу і конструкції ЛФД. Для кремнієвих фотодіодів n = 3,4 … 4,0, якщо генерація носіїв відбувається в p-області і лавина утвориться в результаті ударної іонізації, виробленої електронами; n = l,2 … 2,0, якщо ударна іонізація провадиться дірками, що генеруються в n-області. Рис. 1.12 Залежність коефіцієнтів іонізації: електронів і дірок від напруженості поля в кремнії при кімнатній температурі.

Рис. 1.12.  Залежність коефіцієнтів іонізації

Дуже різка залежність коефіцієнта лавинного множення (мал. 2.3) від прикладеної напруги істотно ускладнює можливість практичного використання ЛФД із високими коефіцієнтами підсилення через дуже жорстку вимогу до точності підтримки на діоді робочої напруги. Сильна залежність напруги лавинного пробою від температури призводить до проблеми термостабілізації. Всі ці чинники обмежують застосування лавинних діодів в апаратурі.

Сильна залежність коефіцієнта від напруженості поля в області множення виникає через дві основних причини: існує позитивний зворотний зв"язок між коефіцієнтом множення і напруженістю поля через наявність двох типів носіїв, що можуть іонізувати; швидкість іонізації експоненціально зростає із ростом напруженості поля.

Розглянемо вплив позитивного зворотного зв"язку. Якщо в область множення інжектується чисто електронний струм, то спочатку первинні електрони генерують повторні пари. Повторні електрони стають невідмінні від первинних. Повторні дірки рухаються в протилежному напрямку і під час прямування генерують нові пари. Коефіцієнт множення Мn для інжектованого електронного струму залежить від іонізуючих можливостей носіїв обох типів

Mn = , (2.4)

де an – швидкість іонізації електронів (середнє іонізуючих співударів електронів на одиницю довжини шляху в напрямку поля); р – швидкість іонізації дірок; d – ширина області збідніння.

Аналогічний вираз має коефіцієнт множення і для інжектованого диркового струму. Зворотний зв"язок між коефіцієнтом множення і прикладеною напругою, зумовлена присутністю носіїв двох типів, призводить до нелінійного зростання коефіцієнта множення при збільшенні напруги. Для зменшення зворотного зв"язку треба, щоб фотострум складався з носіїв із великою швидкістю іонізації. Отже, бажано мати матеріал, для якого відношення швидкостей іонізації електронів і дірок велике на всьому інтервалі іонізуючих полів. У таких матеріалах буде меншим і час наростання лавини.

На даний час широке застосування в діапазоні довжин хвиль 1,0…1,6 мкм одержали германієві лавинні фотодіоди, що мають високий квантовий вихід, що слабко залежить від температури. Їхнім основним недоліком є великі темнові струми, що сильно зростають із ростом температури. Це не дозволяє реалізувати в схемах коефіцієнта підсилення більше 10. Крім того, коефіцієнти іонізації електронів і дирок близькі між собою: b/a = 2. Згадані причини призводять у реальних схемах до нестабільності і великих додаткових шумів.

Темновий струм, утворений об"ємною тепловою генерацією носіїв, можна знижувати вибором матеріалу з великим об"ємним часом життя. Зниження струму поверхневих "відпливів" досягається пасивацією поверхні. Істотного зменшення темнових струмів, можна домогтися зниженням робочих температур, наприклад за допомогою термоелектричних охолоджувачів, але це ускладнює конструкцію виробу.

Кремній значно кращий напівпровідниковий матеріал для створення лавинних фотодіодів.

Особливості технології виготовлення ЛФД.

В режимі лавинного пробою через підвищення щільності току в окремих ділянках структури діода можуть утворюватися невеличкі центри розряду, названі мікроплазмами. Тому вирішальним чинником для роботи ЛФД є однорідність лавинного процесу, реалізувати котру можливо тільки в зроблених електронно-діркових переходах. У діоді існує три області, де можуть утворюватися локальні мікроплазми:

– краї p-n-переходів у планарних структурах, де специфічна форма дифузійної області на периферії переходу (циліндрична або сферична) призводить до підвищеної напруженості електричного поля в порівнянні з центральною плоскою частиною;

– поверхні в мезаструктурах, де до локального підсилення напруженості електричного поля призводять забруднення або які-небудь дефекти в місцях перетину p-n-переходу і поверхні, що викликають різке викривлення зон поблизу межі p-n-переходу;

– ділянки з недосконалою кристалічною структурою вихідного матеріалу і з дефектами p-n-переходу, де локальний пробій (внутрішня мікроплазма) обумовлений або локальною неоднорідністю у легуванні вихідного матеріалу, або металевими вмиканнями, або іншими структурними дефектами в області об"ємного заряду p-n-переходу.

Мікроплазми генерують нерегулярні "кидки токів", що призводять до раннього пробою або до підвищення рівня шуму приладу. Для запобігання шумів, пов"язаних із флуктуацією щільності легування p-області, необхідна однорідність легування точніше 0,1%. Для зниження надлишкового шуму лавина повинна бути викликана чисто електронною інжекцією у широкій області множення. Це випливає з високого відношення коефіцієнтів іонізації електронів і дірок у кремнії, що у правильно сконструйованих детекторах повинно лежати в межах 0,02 .0,08. Щоб досягти найменших шумів, необхідне запровадження випромінювання в n-область через p-контакт. У цьому випадку товщина кристалу повинна складати 50 .70 мкм, що ускладнює технологічне виконання приладу.

Рис. 1.13 Розтин епітаксального ЛФД Рис. 1.13. Розтин епітаксального ЛФД із n+-p-π-p+-структурою: 1 – покриття, що зменшує відбиття, (Si3Ni4); 2 – епітаксіальна π-область(ρ >> 300 Ом∙см); 3 – p+-підкладка. Найбільш доступні для виготовлення ЛФД на епітаксіальній структурі типу p-n+ із добре контрольованим профілем p-області. У цьому випадку випромінювання падає з боку n+-прошарку. На мал. 2.5 зображений розтин епітаксіального лавинного фотодіода для ВОЛЗ. Рис. 1.14. Залежність коефіцієнта множення від напруги на діоді при різноманітних температурах.

Рис. 1.13. Розтин епітаксального ЛФД із n+-p-π-p+-структурою:

1 – покриття, що зменшує відбиття, (Si3Ni4);

2 – епітаксіальна π-область(ρ >> 300 Ом∙см);

3 – p+-підкладка.

Основні фізичні характеристики.

Постійна часу ЛФД n-p-i-p-типу визначається часом розвитку лавини в області множення Mt (де t1—час прольоту носієм області множення) і часом прольоту носіїв від області множення до контакту tдр

tлдф = Mt1 + tдр, (2.5)

причому:

Mt1 = MNл.м,

Де υеф = υnυp / (υn + υp ); υn, υp – швидкості електронів і області множення; dл.м –ширина "лавинної" області; N л.м– константа, обумовлена співвідношенням коефіцієнтів іонізації електронів і дірок, що змінюється від 1/3 при їхній рівності до 2 при коефіцієнті множення істотно меншому для дірок, ніж для електронів. Як правило, перший доданок. (2.5 ) істотно менше другого, тобто інерційність ЛФД визначається не процесами множення, а проходженням носіїв через область щодо слабкого поля до контакту. Оскільки ЛФД працюють в області великих обернених зсувів, то їхня ємність не виявляється і не обмежує швидкодії.

Шум-фактор F ЛФД зростає з ростом відношення коефіцієнтів іонізації дірок і електронів: kеф = βpαn. У ЛФД при інжекції тільки електронів

Fn = kефMn + (2 - 1/Mn)(1 - kеф).

Шум-фактор менше, якщо початкове множення починається електронами, тобто носіями з великим коефіцієнтом іонізації. Тому краще виготовляти ЛФД із напівпровідника p-типу провідності. Спектральная щільність шумового току Iш, може бути визначена зі співвідношення

= 2q(IтM2F + I).

Робоча напруга, як уже відзначалося, повинна підтримуватися постійною із високою точністю. Для зниження вимог до напруги живлення для ЛФД використовують структуру n-p-i-p-типу. Введення області з власною провідністю призводить до перерозподілу прикладеної напруги між нею й областю лавинного множення. Оскільки падіння напруги на області з власною провідністю пов"язано лінійним законом із минущим струмом, то її наявність сприяє стабілізації струму ЛФД і знижує вимоги до стабільності напруги зсуву. Проте робити цю область занадто протяжною не можна, тому що це сильно збільшує роботу напруги і підвищує інерційність. Наприклад, для структури з розмірами області лавинного множення декілька мікрон у звичайному ЛФД необхідно підтримувати напругу зсуву з точністю 0,2% для забезпечення коефіцієнта множення, рівного 50. Введення i-області товщиною порядку 50 мкм забезпечує той же коефіцієнт множення при стабілізації живлення 10%.

Для оптимального порогу ЛФД у широкому діапазоні температур бажано використовувати систему регулювання зсуву, що забезпечує сталість значення М.

1.6. Порядок розрахунку фотодіода

Задано:

Германієвий фотодіод з n-р-переходом, освітлений паралельно площині переходу. Переріз має товщину ω і ширину Н. Перехід отриманий методом вирощування, має в n - області питомий опір ρ_n і час життя τ_h, а в  ρ_р - області ρ_р і час життя електронів τ_e.

Розрахувати:

 Чутливість фотодіода для випромінювання з довжиною хвилі λ, темновий струм і відношення фотоструму до темнового струму при освітленні його потоком випромінювання  Р .

1.  За кривими залежності дифузної довжини електронів і дірок в германії від їх часу життя визначити дифузну довжину L_е ,L_h (рис. 1.15)

Рис.1.15.  Криві залежності дифузної довжини електронів L_e і дірок L_h в германії від їх часу життя

2.   По кривій залежності коефіцієнта відбивання від довжини хвилі падаючого випромінювання для Gе знайти R_λ ,а по кривій залежності квантового виходу η_λ внутрішнього фотоефекту в Gе від довжини хвилі  випромінювання (рис.1.20.).

Рис.1.16. Залежність коефіцієнта відбивання від довжини хвилі падаючого випромінювання для германію

3.  Знайти відношення 1/L_e і 1/L_h і скориставшись рис.1.16. обчислити F_р формулою 1 або 2.

     (1)

Коли 1»L, можна прийняти  і рівняння 1 спроститься:

    (2)

Рис.1.17. Допоміжні функції, для розра­хунку фотоструму і чутливості фотодіода.

4.  Знайти величину фотоструму І_ф за формулою 3.

   (3)

5.  Знайти величину темнового струму І_т за формулою 4, знайшовши рівноважну концентрацію неосновних носіїв р_n , nр . За рис. 1.17.  визначити концентрацію основних носіїв n_n, р_р

       (4)

Рис.1.18. Залежність квантового переходу внутрішнього фотоефекту в германії від довжини хвилі випромінювання

6.Знайти відношення І_ф до І_T за формулою 5.

                       (5)

7.  По рис.1.18 визначимо напругу пробою і коефіцієнт запасу для даного питомого опору бази . Виготовлений германієвий фотодіод з п-р-переходом, освітлений паралельно площині переходу. Перехід отриманий методом вирощування, має в n - області питомий опір ρ_n і час життя τ_h  , а в  ρ_р - області ρ_р і час життя електронів τ_e.

Переріз має товщину ω і ширину Н.

Підрахувати чутливість фотодіода для випромінювання з довжиною хвилі λ, темновий струм і відношення фотоструму до темнового струму при освітленні його потоком випромінювання  Р в двох випадках:

А)коли довжина кожної області переходу рівна l₁;

Б)коли довжина кожної області переходу рівна l₂;

8 . По рис.1.20. знаходимо, що для германію з даним питомим опором і часом життя носіїв, густину струму насичення J_s.

Рис.1.20. Залежність густини струму насичення з сплавах германію віл питомого опору і часу життя носіїв.

9.  Для того, щоб темновий  струм не перевищував 10 мкА , площа переходу повинна задовільняти умову А_n≤ І_т/j_s

10.Визначити інтегральну потужність випромінювання, що падає на перехід Аn за формулою 6.

      (6)

Якщо ідеальну чутливість германієвого фотодіода прийняти С=0.54 А/Вт , то І_Ф=СР≤ 1мА.

Якщо умова не виконується, необхідно зменшити площу переходу.

11.Безпосередньо визначити товщину бази за формулою 7 при даному коефіцієнті розділення неможливо, так як ω_n входить у вираз 8 для L₁.

 (7)

      (8)

Проте із рис.1.21. знаходимо, що високий коефіцієнт розділення можна отримати при товщині бази співмірній з дифузійною довжиною. Тому для τ_h , за графіком рис.1.19.  знаходимо L_h і приймемо товщину бази ω_n

Рис.1.21.Залежність дифузійної довжини електронів і дірок в греманії від часу їх життя

За формулою 9 перевіримо, який коефіцієнт розділення для носіїв генерованих в базі. Для λ= 1.5 мкм за графіком рис.1.22. знайдемо коефіцієнт поглинання. Так як ω_n>>1/λ то можемо не враховувати кількість носіїв, генерованих за площиною переходу.

       (9)

Підставляючи отримані величини у формули 9 і 8, можемо переконатися, що в цьому випадку коефіцієнт розділення рівний відношенню:

 (10)

Для вибраної товщини бази і площі переходу при освітленні потоком р=0.1 Вт/см2 знайдемо фотострум, а також темновий струм.

РОЗДІЛ 2

РОЗРАХУНОК ГЕРМАНІЄВОГО ФОТОДІОДУ З P-N ПЕРЕХОДОМ

Задано:

Германієвий фотодіод з n-р-переходом, освітлений паралельно площині переходу. Переріз має товщину ω і ширину Н, в n - області питомий опір ρ_n і час життя τ_h, а в  ρ_р - області ρ_р і час життя електронів τ_e (табл. 2.1).

Таблиця 2.1

Індивідуальне завдання для розрахунку за  9 варіантом

Варі-ант	ρn , Ом*см	τh , мкс	ρр,     Ом см	τе , мкс	ω, мм	Н, Мм	λ, мкм	Р, мкВт/см2	l1, мм	l2, мм
9	14	50	0.7	10	0,35	3,5	1,4	10,5	0,7	7

1.    За графіком(додаток) знаходимоL=L():

          

2.     За кривою знаходимо коефіцієнт відбивання  на даній довжині хвилі.

3.    За графіком знаходимо квантовий вихід  на даній довжині хвилі

4.    Визначаємо х за формулою (1)

а) l=0.8мм

    x=l/L=0.8/0,5=1,6

    x=l /L=0.8/0,3=2,7

б) l=8мм

    x=l /L=8/0,5=16

    x=l /L_n=8/0,3=27

5.    Визначаємо чутливість

а) За формулою (2) знаходимо для l:

  

  

    А/Вт

            б) За формулою (3) для l:

            

            

              F_p=0,478 А/Вт

6.    Визначаємо повну потужність

              а) Для l₁ повну потужність визначaємо

             

               б) Для l₂ повну потужність визначaємо

                  Р= р∙Н∙2∙l₂=11.5∙10^-2∙3∙10^-3∙2∙8  10^-3=55∙10^-7B_Т

7.Визначаємо густину темнового струму за формулою:

 а) За формулою (4) визначаємо густину темнового струму для l₁:

б) За формулою (5) визначаємо густину темнового струму для l₂:

8. Визначаємо темновий струм за формулою(7):

а) Для l₁:

б) Для l₂:

9. Визначаємо фотострум за формулою (6):

а) Для l₁:

=

б) Для l₂:

=

10. Знаходимо відношення І_ф/І_Т за формулою (8)

а) І_ф/І_Т=

б) І_ф/І_Т=

Табл.2.2.

Результати розрахунків

Параметри	l1	l2
Чутливість, Fp	1,15 А/Вт	0,017 А/Вт
Повна потужність, Р
Густина темнового струму, JT
Темновий струм, IT
Фотострум, Iф
Відношення Іф/ІТ	0,034	0,039

ВИСНОВОК

Проведено аналіз розвитку пристроїв функціональної електроніки, зокрема згідно завдання, основних характеристик фотодіодів, принцип дії, особливості будови, застосування , визначено порядок розрахунку фотодіода.

Визначено основні параметри  германієвого фотодіоду з p-n переходом, згідно варіанту : для l₁: чутливість, Fp=1,15 А/Вт; повна потужність, Р=; густина темнового струму, J_T= 15,22 А/м; темновий струм, I_T=38,05*10^-6А; фотострум, I_ф=1,31*10^-7; відношення І_ф/І_Т=0,034; для l₂: чутливість, Fp=0,017 А/Вт; повна потужність, Р=; густина темнового струму, J_T= 3,929 А/м; темновий струм, I_T=37,97*10^-6А; фотострум, I_ф=0,149*10^-7; відношення І_ф/І_Т=0,039.

CПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ:

1. http://www.zgia.zp.ua/gazeta/FunkcElectronSamRob.pdf

2. http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/696-fotodiody-ustrojjstvo-kharakteristiki-i.html

3. http://chipenable.ru/index.php/electronic-components/item/197-fotodiod.html

4. http://test.inf.sfedu.ru/foos/glava5/5.1.html

5. http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pcss/vol2/number2/0203-14.pdf

6. http://msd.com.ua/optoelektronnye-pribory-i-ustrojstva/fotodiody-shottki/

7. http://electronic4u.ru/kvantovaya-i-opticheskaya-elektronika/393-lavinnye-fotodiody

8. http://lektsii.com/1-135592.html

9.http://tarnowski.vk.vntu.edu.ua/file/MetodRab/fb5e9780d126d1d2f071328015191a07.pdf

10. http://uapatents.com/5-94679-uf-fotodiod-z-barehrom-shottki.html

http://uapatents.com/3-42429-fotodiod-z-barehrom-shottki-chutlivijj-v-ultrafioletovomu-diapazoni-spektra.html

11.http://elartu.tntu.edu.ua/bitstream/123456789/5113/2/ProcNTShTB_2014v9_Roman_Tkachuk-Modeling_of_dynamic_176-184.pdf

12.https://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjPv_CDi4nNAhVCSZoKHZk8DFQQFggsMAM&url=http%3A%2F%2Fua.textreferat.com%2Freferat-398-5.html&usg=AFQjCNFXW35RJ5uYiaEji4geNESqHvq3oQ&sig2=KripidRh5SNGpeJ9sa4tNw