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

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.