Фотодиоды
Фотодиод представляет собой диод, оптимизированный для вырабатывания потока электронов в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом. Для изготовления фотодиодов чаще всего используется кремний; хотя могут использоваться и германий, и арсенид галлия. Переход, через который свет проникает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать большую часть света в активную область (обедненная область), где свет преобразуется в пары электронов и дырок.
На рисунке ниже неглубокая диффузия P-типа в пластине N-типа создает PN переход вблизи от поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света. Сильная диффузия N+ на задней стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация для больших ячеек может быть тонкой металлической сеткой на верхней части пластины. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть просто одиночным проводом, непосредственно контактирующим наверху с кремнием P-типа.
Интенсивность света, падающего на верхнюю поверхность фотодиода, экспоненциально убывает с увеличением глубины. Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обедненную область, где образуются пары электрон-дырка. Электрическое поле через обедненную область благодаря встроенному диодному потенциалу заставляет электроны сместиться в N-слой, а дырки в P-слой. Фактически электронно-дырочные пары могут образовываться в любой из областей полупроводника. Однако те, которые сформированы в обедненной области, скорее всего, будут разделены в соответствующие N и P области. Многие из электронно-дырочных пар, образованных в P и N областях, рекомбинируют. Лишь немногие делают это в области истощения. Таким образом, несколько электронно-дырочных пар в N и P областях и большинство в обедненной области вносят вклад в фототок, то есть ток, возникающий в результате падения света на фотодиод.
На выводах фотодиода может наблюдаться появление напряжения. Работа в этом фотогальваническом режиме в большом динамическом диапазоне не линейна, хотя она и чувствительна и имеет низкий уровень шумов на частотах менее 100 кГц. Предпочтительным наиболее часто является фотодиодный режим, поскольку ток линейно пропорционален световому потоку в большом диапазоне, и может быть достигнута более высокочастотная характеристика. Фотодиодный режим достигается путем обратного или нулевого смещения фотодиода. В фотодиодном режиме совместно с фотодиодом должен использоваться усилитель тока. Линейность и фотодиодный режим достигаются, если диод не смещается в прямом направлении.
Для фотодиодов, в отличие от солнечных элементов, часто требуется высокая скорость работы. Скорость – это функция емкости диода, которая может быть сведена к минимуму за счет уменьшения площади ячеек. Таким образом, датчик для высокоскоростной волоконно-оптической линии будет использовать площадь, не превышающую необходимую, например, 1 мм2. Емкость также может быть уменьшена за счет увеличения толщины обедненной области или путем увеличения обратного смещения диода.
PIN диод.p-i-n диод или PIN диод – это фотодиод с внутренним слоем собственного полупроводника между P и N областями, как показано на рисунке ниже. Структура P-I(собственный)-N увеличивает расстояние между проводящими слоями P и N типа, уменьшая емкость и увеличивая скорость. Объем фоточувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Ширина полосы пропускания может достигать десятки гигагерц. PIN фотодиоды являются предпочтительными при необходимости в высокой чувствительности и высокой скорости при умеренной стоимости.
Лавинный фотодиод.Лавинный фотодиод (APD), предназначенный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоумножителю. Обратное смещение может достигать от десятков вольт до почти 2000 вольт. Высокий уровень обратного смещения ускоряет создание электронно-дырочных пар в области собственного полупроводника до высокой скорости, достаточной для освобождения дополнительных носителей заряда из-за столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, в результате получается много электронов на фотон. Целью использования лавинных фотодиодов является достижения усиления внутри фотодиода для преодоления уровня шума во внешних усилителях. В некоторой степени эта цель достигается. Однако лавинный фотодиод создает собственный шум. На высоких скоростях лавинный фотодиод превосходит комбинацию PIN фотодиода и усилителя, хотя в низкоскоростных приложениях этого не происходит. Лавинные фотодиоды стоят дорого, примерно как фотоумножитель. Таким образом, они конкурируют только с PIN фотодиодами в нишевых применениях. Одним из таких применений является однофотонный подсчет применительно к ядерной физике.