Фотодиод

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрический ток. Принцип действия фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте — возникновении неравновесных носителей заряда (электронно-дырочных пар) под действием света в области p-n-перехода или контакта металл-полупроводник. Фотодиоды широко применяются в системах оптической связи, автоматики, измерительной техники, солнечной энергетики и в качестве детекторов излучения в различных диапазонах — от ультрафиолета до инфракрасного.

История

История фотодиодов начинается с открытия фотоэффекта. В 1873 году британский инженер Уиллоуби Смит обнаружил, что электрическое сопротивление селена изменяется под действием света, что привело к созданию первых фотоэлементов. Однако настоящий прорыв произошёл после изобретения полупроводникового p-n-перехода. В 1940-х годах, с развитием германиевой и кремниевой технологии, были созданы первые фотодиоды на основе точечных контактов. В 1950-х годах, после работ Уильяма Шокли и других исследователей, появились планарные кремниевые фотодиоды, которые стали основой для массового производства. В 1960-х годах были разработаны лавинные фотодиоды (ЛФД), обладающие внутренним усилением сигнала. С 1970-х годов, с развитием оптоволоконной связи, началось активное совершенствование быстродействующих фотодиодов для цифровых систем передачи данных.

Принцип действия

Основой фотодиода является p-n-переход — область контакта полупроводников с дырочной (p-тип) и электронной (n-тип) проводимостью. В отсутствие освещения в области перехода существует встроенное электрическое поле, которое препятствует диффузии основных носителей заряда. При поглощении фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, в материале рождается пара «электрон-дырка». Если это происходит вблизи p-n-перехода или в области пространственного заряда, то встроенное поле разделяет носители: электроны движутся к n-области, а дырки — к p-области. В результате во внешней цепи возникает фототок, пропорциональный интенсивности падающего света.

Фотодиод может работать в двух основных режимах:

• Фотогальванический режим (режим фотогенератора) — без внешнего источника напряжения. При освещении на выводах фотодиода возникает фото-ЭДС, и он может отдавать мощность во внешнюю нагрузку. Этот режим используется в солнечных батареях.
• Фотодиодный режим (режим фотодетектора) — с приложением обратного смещения (напряжения, запирающего p-n-переход). В этом режиме обратный ток (темновой ток) резко возрастает при освещении, обеспечивая высокую линейность и быстродействие. Этот режим является основным для детектирования и измерения оптических сигналов.

Классификация и виды

Фотодиоды классифицируются по нескольким признакам: материалу, конструкции, спектральному диапазону и принципу усиления.

По материалу полупроводника

• Кремниевые (Si) — наиболее распространённые. Чувствительны в диапазоне 400–1100 нм (видимый и ближний инфракрасный свет). Обладают низким тёмновым током и высокой стабильностью.
• Германиевые (Ge) — чувствительны в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне (до 1800 нм), но имеют высокий тёмновой ток и меньшую стабильность.
• Арсенид-галлиевые (GaAs) и фосфид-индиевые (InP) — используются для детектирования в ближнем ИК-диапазоне (до 1700 нм и выше), применяются в оптоволоконной связи.
• На основе соединений A³B⁵ (например, InGaAs) — обеспечивают высокую чувствительность в диапазоне 900–1700 нм, критически важном для телекоммуникаций.
• На основе нитрида галлия (GaN) — чувствительны в ультрафиолетовом диапазоне (200–400 нм).

По конструкции

• Планарные фотодиоды — простейшая конструкция с p-n-переходом на поверхности кристалла.
• p-i-n-фотодиоды — содержат слой собственного (нелегированного) полупроводника (i-слой) между p- и n-областями. Это увеличивает область пространственного заряда, что повышает быстродействие и квантовую эффективность.
• Лавинные фотодиоды (ЛФД) — работают при высоком обратном напряжении, близком к напряжению пробоя. В них происходит лавинное умножение носителей, что обеспечивает внутреннее усиление сигнала (коэффициент умножения до 100–1000). Используются для детектирования слабых сигналов.
• Фотодиоды Шоттки — основаны на выпрямляющем контакте металл-полупроводник. Отличаются высоким быстродействием.
• Гетероструктурные фотодиоды — изготавливаются из нескольких слоёв полупроводников с разной шириной запрещённой зоны, что позволяет оптимизировать спектральную чувствительность.

По спектральному диапазону

• УФ-фотодиоды (200–400 нм) — на основе GaN, SiC, алмаза.
• Фотодиоды видимого диапазона (400–700 нм) — кремниевые.
• ИК-фотодиоды (700 нм – 10 мкм) — на основе Ge, InGaAs, PbS, HgCdTe (для дальнего ИК).

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики фотодиодов:

• Спектральная чувствительность — зависимость фототока от длины волны падающего света. Определяется материалом полупроводника.
• Квантовая эффективность — отношение числа собранных электронно-дырочных пар к числу падающих фотонов. Обычно составляет 0,5–0,9 для хороших фотодиодов.
• Тёмновой ток — ток, протекающий через фотодиод в отсутствие освещения при заданном обратном напряжении. Определяет уровень шума и минимально детектируемый сигнал.
• Быстродействие — время нарастания и спада фототока при импульсной засветке. Для p-i-n-фотодиодов составляет единицы наносекунд, для лавинных — доли наносекунд.
• Чувствительность — отношение фототока к мощности падающего излучения (измеряется в А/Вт).
• Ёмкость p-n-перехода — влияет на быстродействие и частотные свойства.
• Максимальное обратное напряжение — напряжение пробоя, при котором фотодиод выходит из строя.

Применение

Фотодиоды являются ключевыми компонентами в широком спектре устройств и систем.

Оптическая связь

В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) фотодиоды (преимущественно p-i-n и лавинные на основе InGaAs) используются в качестве приёмников оптического сигнала. Они преобразуют модулированное лазерное излучение в электрический ток, который затем усиливается и обрабатывается. Быстродействие современных фотодиодов позволяет передавать данные со скоростью до 100 Гбит/с и выше.

Фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи)

Крупноформатные кремниевые фотодиоды (солнечные элементы) являются основой солнечных панелей. Они работают в фотогальваническом режиме, преобразуя солнечный свет в электрическую энергию. КПД коммерческих кремниевых солнечных элементов достигает 20–24%, а лабораторные образцы — более 26%.

Измерительная техника и сенсоры

Фотодиоды используются в фотометрах, спектрофотометрах, пирометрах, датчиках освещённости, лазерных дальномерах, системах автоматического управления (например, фотореле). В медицинской технике — в пульсоксиметрах (для измерения насыщения крови кислородом) и анализаторах биожидкостей.

Детектирование и регистрация излучения

Лавинные фотодиоды применяются в системах счёта фотонов (фотонных детекторах), в том числе в квантовой криптографии, научных исследованиях (например, в астрономии для регистрации слабых сигналов от далёких объектов) и в системах лазерного сканирования (LiDAR).

Промышленная автоматика

Фотодиоды входят в состав оптических датчиков положения, считывателей штрих-кодов, систем безопасности (фотобарьеры), устройств управления освещением.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая чувствительность и быстродействие.
• Широкий спектральный диапазон (от УФ до дальнего ИК).
• Малые габариты и масса.
• Высокая надёжность и длительный срок службы (до десятков лет).
• Совместимость с полупроводниковой технологией (интеграция в микроэлектронные схемы).

Недостатки:

• Зависимость характеристик от температуры (тёмновой ток растёт с температурой).
• Необходимость в экранировании от паразитной засветки и электромагнитных помех.
• Для лавинных фотодиодов — высокое рабочее напряжение (до сотен вольт) и чувствительность к перегрузкам.
• Ограниченная чувствительность в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (для кремниевых фотодиодов).

Интересные факты

• Первый коммерческий кремниевый фотодиод был выпущен компанией Texas Instruments в 1959 году.
• В современных системах связи используются фотодиоды с полосой пропускания до 100 ГГц.
• Лавинные фотодиоды способны регистрировать одиночные фотоны, что делает их ключевым элементом в квантовой оптике.
• В солнечных батареях космических аппаратов используются фотодиоды на основе арсенида галлия, обеспечивающие КПД до 30% и выше.

Источники

• С. Зи, «Физика полупроводниковых приборов», 1984.
• В. И. Стафеев, «Фотодиоды и их применение», 1990.
• А. И. Власов, «Оптоэлектроника и полупроводниковая фотоника», 2005.
• Материалы технической документации компаний Hamamatsu Photonics, Osram Opto Semiconductors, Vishay Semiconductors.
• Статьи из журнала «IEEE Transactions on Electron Devices» (1970–2020).