Физика работы светочувствительных PN-переходов
В данной статье мы углубимся в физику полупроводников, чтобы лучше понять работу фотодиодов.
Данная статья является второй частью в серии о фотодиодах, устройствах, которые создают электрические сигналы в ответ на окружающее освещение, лазерные сигналы или свет, сфокусированный объективом камеры. В первой статье мы обсудили природу света и PN-переходы. Теперь рассмотрим физику работы светочувствительных PN-переходов.
В следующих нескольких частях этой серии мы рассмотрим:
- два режима работы фотодиода: фотопроводящий и фотоэлектрический;
- характеристики различных фотодиодных технологий / полупроводников;
- эквивалентную схему фотодиода.
Кремниевый PN-переход
Когда кусок кремния N-типа находится в контакте с куском кремния P-типа, происходят интересные вещи: диффузионный ток течет из P-области в N-область, образуется обедненная область, и дрейфовый ток течет из N-области в P-область.
Диффузионный ток
Основными носителями в P-области являются дырки, а в N-области основные носители – свободные электроны. Эти носители подвержены диффузии, т.е. склонности частиц переходить от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией. Дырки диффундируют через переход от P-области к N-области, и электроны также диффундируют через переход от N-области к P-области. Эти движения носителей заряда представляют собой форму электрического тока; мы называем это диффузионным током.
Диффузионный ток характеризуется как ток, протекающий из P-области в N-область, потому что обычный ток течет в том же направлении, что и положительные носители заряда, даже если положительные носители заряда фактически не присутствуют в цепи.
В данном случае дырки находятся в движении, поэтому у нас на самом деле есть положительные носители заряда, и, таким образом, этот ток более согласован с понятием тока с общепринятой точки зрения, чем ток в схемах, не содержащих диодов или транзисторов.
Обедненная область
У нас есть свободные электроны на стороне N-области и дырки на стороне P-области. Когда свободные электроны диффундируют через переход, они встречаются с дырками на другой стороне. Электроны, так сказать, «падают» в дырки, и вблизи перехода происходит рекомбинация.
Это приводит к образованию области с общим отрицательным зарядом рядом с переходом на стороне P-области, поскольку рекомбинация устраняет дырки, которые ранее уравновешивали связанные отрицательные заряды в полупроводнике P-типа. То же самое происходит с другой стороны, в полупроводнике N-типа, за исключением того, что там связанные заряды положительны.
Мы называем эту область обедненной, потому что участки общего положительного и отрицательного заряда по обе стороны от перехода возникают в результате истощения основных носителей заряда, что, в свою очередь, является результатом диффузионного тока и рекомбинации.
Дрейфовый ток
Добавление примеси – не единственный источник свободных носителей заряда в полупроводнике. Тепловая энергия вызывает случайную генерацию электронно-дырочных пар, что приводит к наличию неосновных носителей, то есть электронов в P-области и дырок в N-области.
Если дырка в N-области или свободный электрон в P-области пробивается в обедненную область, электрическое поле обедненной области будет усиливать это движение к другой стороне перехода. Это дрейфовый ток: неосновные носители, движущиеся через переход под действием электрического поля. Он течет из N-области в P-область.
То есть через диод ток протекает непрерывно, даже если он полностью отключен от источников питания и других компонентов? Конечно, нет. РN-переход естественным образом поддерживает равновесие между диффузионным и дрейфовым токами. Они текут в противоположных направлениях с одинаковой величиной, поэтому итоговый ток равен нулю.
Светочувствительные PN-переходы
Когда переход подвергается воздействию света, у нас появляется дополнительный источник подвижных носителей заряда, а именно энергия, доставляемая входящими фотонами. Если фотон генерирует пару электрон-дырка внутри или около обедненной области, электрическое поле обедненной области может протолкнуть эти свободные носители заряда через переход.
Это то, что мы называем фототоком: ток, возникающий в результате движения индуцированных светом носителей заряда.
Фототок – это обратный ток. Подобно дрейфовому току, он течет из N-области в P-область, и обратите внимание, как он пересекает переход под действием электрического поля обедненной области, точно так же, как это делает дрейфовый ток. Мы вернемся к дрейфовому току позже, когда будем обсуждать темновой ток.
Обедненная область фотодиодов
Как было указано выше, электронно-дырочные пары, генерируемые светом, вносят вклад в фототок, только если они находятся в обедненной области или рядом с ней. Это говорит о том, что мы можем сделать фотодиод более чувствительным, увеличив ширину обедненной области: с более широкой обедненной областью та же самая интенсивность падающего света будет генерировать больший фототок, поскольку большее количество генерируемых светом носителей заряда будет находиться в пределах досягаемости электрического поля, которое толкает их через PN-переход.
Есть еще один способ, которым обедненная область влияет на работу фотодиода. Обедненная область действует в диоде как конденсатор, а в фотодиоде эта емкость ограничивает способность устройства реагировать на быстрые изменения освещенности.
Таким образом, обедненная область связана с двумя важными моментами проектирования систем на основе фотодиодов. Я вернусь к этим темам в следующей статье.
Резюме
Диффузионный ток в PN-переходе течет в прямом направлении и создает обедненную область. Электрическое поле в этой обедненной области создает компенсирующий ток, называемый дрейфовым током, который течет в обратном направлении. Базовые знания о дрейфовом токе и обедненной области помогают нам понять важные аспекты реализации фотодиодов.
В следующей статье мы рассмотрим фотоэлектрический и фотопроводящий режимы работы фотодиода.