Supplement 1.13: Halfgeleiderfotodioden      (2/4)

Opbouw en werking van een halfgeleiderfotodiode

Naast de stromen in een halfgeleiderdiode die op de vorige pagina zijn genoemd, komt er bij fotodioden nog een stroom bij die afhankelijk is van de verlichting: de fotostroom $I_{foto}$. Deze is evenredig met de helderheid, waardoor fotodioden zeer geschikt zijn voor kwantitatieve lichtmetingen. Voor de karakteristiek van een fotodiode geldt de dienovereenkomstig uitgebreide Shockley-vergelijking:

De volgende grafiek toont het verloop ervan bij gelijkmatig toenemende verlichtingssterktes.

De karakteristieken van een fotodiode bij toenemende belichting ϕ. Wanneer de diode in de blokkeringsrichting wordt gebruikt, spreekt men van fotogeleidende werking, aangezien de stroomgeleiding vrijwel uitsluitend door het foto-effect tot stand komt. Bij gebruik in de doorlaatrichting is er sprake van fotovoltaïsche werking, waarbij de doorlaatstroom bij de fotostroom komt.

Een vergelijking met de diodekarakteristiek op de vorige pagina laat zien dat de doorlaatstroom in de grafiek van de fotodiode beperkt blijft tot kleine waarden. Deze speelt voor fotodioden inderdaad een ondergeschikte rol. Vanwege het verschillende teken is de fotostroom tegengesteld aan de doorlaatstroom. Daarom worden fotodioden uitsluitend gebruikt in delen van de karakteristiek waar de doorlaatstroom zeer klein is of waar de fotostroom domineert.

Aan de hand van de gegevens in de grafiek kan de gevoeligheid S worden geschat in vergelijking met vacuümfotodioden en fotomultiplicatoren. 10 mW stralingsvermogen levert ongeveer 4 mA fotostroom op. Daarom:

Deze waarde is ongeveer 10 keer hoger dan bij vacuümdetectoren. Dit komt doordat een foton dat door een vacuümfotokathode wordt geabsorbeerd, niet altijd tot een vrij elektron leidt. In halfgeleiders hoeven de foto-elektronen niet in het vacuüm terecht te komen; ze blijven in de halfgeleider, wat de opbrengst aanzienlijk verbetert. Zo blijkt het interne foto-effect in halfgeleiders zeer voordelig te zijn in vergelijking met het externe foto-effect van vacuümfotokathodes.

Deze detectoren kunnen wat betreft hun toepassing in twee groepen worden onderverdeeld:

• Zonnecellen (of: fotovoltaïsche cellen), waarbij het afgegeven elektrisch vermogen of het rendement zo hoog mogelijk moet zijn. Ze werken in fotovoltaïsche modus. Signaalveranderingen in de tijd, bijvoorbeeld door wisselende bewolking, verlopen langzaam; de cellen hoeven daarom niet snel te zijn. Ze bestaan voornamelijk uit silicium, maar ook uit andere halfgeleiders tot en met organische materialen, met een kristallijne of amorfe structuur. Factoren zoals rendement, levensduur, beschikbaarheid van grondstoffen en productiekosten staan centraal. Deze onderwerpen worden hier niet verder uitgediept.
• Fotodioden in enge zin, met een zo hoog mogelijke gevoeligheid en een snelle tijdrespons, om ook lage helderheden en hoge signaalfrequenties of korte laserpulsen te kunnen meten. Dit wordt bereikt met pin-dioden. Bij pin-dioden bevindt zich tussen de p- en n-dgedoteerde laag een ongedoteerde of neutraal gedoteerde laag: de i-laag. i staat voor intrinsiek, d.w.z. van nature geleidend. De volgende afbeelding toont de opbouw van deze diodes. Maar ook pn-fotodiodes worden veel gebruikt, omdat ze zonder voorspanning (d.w.z. in kortsluiting) minder ruis vertonen dan pin-diodes.

Opbouw van een pin-fotodiode. De p-laag is vanwege de sterke lichtabsorptie in silicium slechts ongeveer 0,1 µm dik. Daarom vindt het foto-effect vooral plaats in de i-laag, die ongeveer 10 tot 100 µm dik is. De n-laag is ongeveer 100 tot 200 µm dik.

Een externe spanning in de sperrichting (fotogeleidende modus) onttrekt de bewegelijke ladingsdragers aan de i-laag, waardoor deze zich als een isolator gedraagt. Het elektrische veld van de externe spanning blijft daarom beperkt tot de i-laag. Bij belichting ontstaan door het interne foto-effect elektronen en defectelektronen in de i-aag. Door het elektrische veld worden de elektronen zeer snel in de richting van de p-laag en de defectelektronen in de richting van de n-laag versneld, doorkruisen deze lagen, bereiken de elektrische aansluitingen van de diode en staan ter beschikking als fotostroom. Zonder elektrisch veld in de i-laag zouden de ladingsdragers door langzame diffusie de aansluitingen bereiken. Dit vergroot de snelheid van ongewenste recombinatie van elektronen en defectelektronen en vermindert daarmee de gevoeligheid van de diode.

Vanuit elektrisch oogpunt lijkt de fotodiode op een plaatcondensator, waarbij de twee platen bestaan uit de p- en n-lagen van de halfgeleider. Het ontstaan van een gebied met een tekort aan ladingsdragers in de i-laag door de externe spanning gedraagt zich op dezelfde manier als het uit elkaar trekken van de condensatorplaten, wat leidt tot een afname van de capaciteit. Dit maakt hogere grensfrequenties mogelijk voor het meten van hoogfrequente lichtsignalen.