Фотодиоды

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к - переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области p-n-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в - и - областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина - перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока. Устройство фотодиода и схема его включения показаны на рис.20, а, а на рис. 20, б приведено его условное обозначение.

Фототок, возникающий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:

,

где - интегральная чувствительность, характеризующая величину фототока, возникающего при облучении фотодиода потоком белого света яркостью в 1 лм.

Направление фототока совпадает с направлением теплового тока, то есть отрицательное.

Рис.20. Устройство фотодиода и схема его включения (a); условное обозначение фотодиода. (b)

Рис.21. Вольт-амперные характеристики диода

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

.

Здесь - напряжение на диоде.

Если , то , то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.

Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения ( ) , то обратный ток создает на резисторе падение напряжения . Ток в этом случае будет равен

.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.

В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутствует. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соответствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае она проходит через начало координат. При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R = ∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при разных световых потоках. У кремниевых фотодиодов она составляет около 0,5 - 0,55 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами. Их используют для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Оптимальным режимом для фотоэлементов является такой режим, когда в нагрузку передается наибольшая мощность. Такая мощность получается при условии, что площадь прямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются вольт-амперная характеристика и нагрузочная линия, оказывается наибольшей. В этом случае напряжение на нагрузке составляет 0,35 - 0,4 В, а плотность тока - 15 - 20 мА/см² при средней освещенности солнечным светом.