Фотодиоды

Фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещённости.

Конструкция фотодиода мало отличается от конструкции обычного полупроводникового диода. Но помещают его в корпус, имеющий собирательную линзу. В зависимости от размещения линзы световой поток может падать либо перпендикулярно плоскости p-n перехода, либо параллельно ей, как на рис. 7.15,а. Здесь выводы от области, через которую проходит световой поток, сделаны в виде тонкого кольца. Второй вывод выполнен от области n-типа.

а)

Рис. 7.15. Устройство (а) и схема включения фотодиода (б).

При поглощении квантов света в p-n переходе и в прилегающих к нему областях генерируются пары электрон-дырка. Неосновные носители заряда, возникшие в прилегающих к p-n переходу областях на расстояниях, не превышающих диффузионной длины, диффундируют к p-n переходу и проходят через него под действием электрического поля. Пары электрон-дырк, возникшие непосредственно в p-n переходе, так же разносятся полем p-n перехода в “свои” области. В результате обратный ток через переход при облучении его квантами света возрастает на величину, называемую фототоком.

Основные характеристики и параметры фотодиоды

Фотодиоды можно характеризовать такими же параметрами и характеристиками, как и фоторезисторы. Однако у фотодиодов есть и существенные отличительные особенности.

Вольт-амперная характеристика фотодиода – это зависимость обратного тока от обратного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 7.16).

При отсутствии освещённости через фотодиод протекает очень небольшой темновой ток фотодиода I_т (1-25мкА), вызванный термогенерацией носителей в полупроводнике. При увеличении освещённости повышается концентрация неосновных носителей, увеличивается обратный ток через диод.

I Uобр Iт U Ф=0 Iф1 Ф1 Ф2 Iф2 Ф2 Ф3 Iобр Ф3 > Ф2 > Ф1 Рис. 7.16. Вольт-амперные характеристики фотодиода.

Рис. 7.17. Световые характеристики фотодиода.

Световая характеристика фотодиода – зависимость фототока от освещённости (рис. 7.17) является строго линейной. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода всегда меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда; поэтому практически все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает. Это объясняется расширением области p-n перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к p-n переходу.

Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности от приложенного обратного напряжения. Поэтому одним из основных параметров фотодиода является не удельная интегральная чувствительность, а просто интегральная чувствительность, составляющая десятки мА/лм.

Для фотодиодов часто приводят частотную характеристику, которая показывает изменение интегральной чувствительности при изменении частоты светового потока (рис. 7.18). Уменьшение чувствительности объясняется уменьшение фототока с ростом частоты модуляции светового потока, что свидетельствует об инерционных свойствах фотодиода.

На инерционность фотодиода оказывают влияние два фактора: время заряда барьерной ёмкости и время пролёта носителей через базу и через переход. Если период модулирующих световой поток колебаний сравним с временем пролёта носителей через базу фотодиода, то процессы изменения тока в фотодиоде не успевают за быстрыми изменениями светового потока. В результате, с увеличением частоты уменьшается амплитуда переменной составляющей в нагрузке фотодиода и увеличивается фазовый сдвиг между модулирующим световой поток колебанием и переменной составляющей тока в приборе.

Рис. 7.18. Частотная характеристика фоторезистора.

Инерционность фотодиодов гораздо меньше, чем фоторезисторов (10нс). Граничная частота, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением, для быстродействующих кремниевых фотодиодов порядка 10⁷Гц.

Спектральные характеристики фотодиодов аналогичны соответствующим характеристикам фоторезисторов и зависят от материала введённых примесей, а также от конструкции фотодиода.

Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую (300-700нм) и инфракрасную области спектра.