1.3.8 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 рисунке 1.17, а, а на рисунке 1.17, б приведено его условное обозначение.

Рисунок 1.17 -. Устройство фотодиода и схема его включения (a); условное обозначение фотодиода. (b)

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

, (1.11)

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.

Рисунок 1.18 - Вольт-амперные характеристики диода

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода (рисунок 1.18 ) с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

. (1.12)

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

. (1.13)

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.