7.3.3. Фотодіоди

Фотодіод (ФД) – це керований оптичним випромінюванням напівпровідниковий прилад з двома виводами, робота якого ґрунтується на використанні фотогальванічного ефекту в зворотно ввімкненому електричному переході. Електричний перехід ФД працює у фотодіодному режимі. Зворотний струм ФД залежить від освітленості. У РЕА ФД використовують як швидкодіючі чутливі елементи оптичних приймачів та приймальних модулів волоконно-оптичних ліній зв’яз­ку, як елементи оптопар, координатно-чутливі елементи автоматики, пер­винні перетворювачі освітленності і т. ін.

Типову схему вмикання ФД показано на рис. 7.7, а. У початковому стані, коли світлового потоку немає (Ф = 0), через діод, увімкнений у зов­нішнє джерело живлення Е у зворотному напрямі, протікає незначний зворотний темновий струм I_RTM в декілька мікроамперів.

Рис.7.7. Фотодіод: а – типова схема вмикання; б – осцилограма світлового потоку; в – осцилограма вихідних напруг

Спад напруги на резисторі навантаження R_н малий, і на виході формується напруга U_вих  E (рис. 7.7, в). Процес формування вихідного сигналу в цьому випадку повністю збігається з аналогічними процесами, описаними в розд. 4.4 для БТ та підрозд. 7.3.2 для фоторезистора.

З надходженням світлового потоку в ФД виникає фотострум I_ф, пропор­ційний потужності оптичного випромінювання. На резисторі навантаження формується спад напруги, пропорційний амплітуді світлового потоку Ф_m1 або Ф_m2 (рис. 7.7,б). На виході формується напруга U'_вих = E – – R_нI_ф1 або U''_вих = E – R_нI_ф2. З надходженням імпульсів світлових потоків на виході формуються імпульси напруги. Вихідний електричний сигнал повторює закон модуляції вхідного оптичного сигналу.

Типову ВАХ ФД показано на рис. 7.8, а, світлову – на рис. 7.8, б. Основні параметри: струмова чутливість S_ф; сталі часу наростання τ_нр та спаду τ_сп фотоструму або гранична частота модуляції світлового потоку f_м; пороговий потік або порогова потужність випромінювання; робоча довжина хвиль опромінення або діапазон робочих хвиль.

Струмову чутливість ФД визначають за світловою характеристикою f(Ф) (рис. 7.8, б) як відношення

S_ФД = I_Ф/Ф.

Сталі часу спаду τ_сп або наростання τ_нр фотоструму – це час, протягом якого фотострум змінюється в е раз від усталеного значення, якщо Ф = const, після вимкнення або ввімкнення світового потоку. Ці параметри, так само як гранична частота f_гр, визначають швидкодію ФД. Гранична частота відповідає максимальній частоті модуляції світлового потоку, на якій чутливість ФД зменшується до рівня 0,707 чутливості на низьких частотах.

Рис.7.8. . Характеристики ФД:

а – вольт-амперна;

б – світлова

Пороговий потік або порогова потужність випромінювання – це мінімальний оптичний сигнал (світловий потік або потужність), який створює фотострум, що дорівнює середньоквадратичному струму власних шумів. Порогова потужність ФД P_пор  10^–12 Вт і залежить від площі електричного переходу.

Робочою довжиною хвилі ФД називають довжину хвилі λ_m, на якій чутливість або квантовий вихід досягають максимального значення. У діапазоні робочих хвиль λ₁ – λ₂ ці параметри не зменшуються нижче від заданих. Фотодіоди характеризуються також номінальною робочою напругою, темновим струмом I_RTM (струмом, що проходить через зворотно зміщений перехід, якщо світловий потік Ф = 0, та за номінальної робочої напруги) і максимальною зворотною напругою U_Rmax, за якої гарантується работа ФД.

Інерційність ФД невелика. Вони можуть працювати на частотах до декількох сотен мегагерців. Розширення частотного діапазону ФД без змен­шення його чутливості досягнуто в р- і п-структурах, в яких між двома областями протилежного типу провідності розташована і-область (область власного напівпровідника з питомим опором в 10⁶…10⁷ більшим, ніж легованих областей п- та р‑типів). Діапазон частот для таких діодів – 10⁹ Гц; на довжині хвилі λ_m = 0,9 мкм майже досягнуто теоретичної межі чутливості 0,7 А/Вт.

Фотодіоди Шотткі (зі структурою метал – напівпровідник) дозволяють підвищити швидкодію до 10^–10 с і більше.

До одного з найперспективніших типів оптоелектронних фотоприймачів належать ФД з гетероструктурою, яка відкриває принципову можливість створення ФД з ККД близько 100 %, зберігаючи переваги розглянутих вище структур.

Гетероструктура формується між двома напівпровідниками з різною шириною забороненої зони, що дозволяє шляхом вибору необхідної пари напівпровід­ників забезпечувати роботу майже у будь-якій частині оптичного діапазону довжин хвиль. Досягнуті значення фото-ЕРС гетерофотодіодів становлять 0,8....1,1 В, що в 2 – 3 рази вище, ніж кремнієвих ФД.

Одним із напрямів створення швидкодіючих ФД з високою чутливістю є використання лавинного пробою. Лавинний фотодіод – це ФД з внутріш­нім підсиленням, принцип дії якого ґрунтується на явищі ударної іонізації атомів фотоносіями у сильному електричному полі. Лавинні ФД перспективні для реєстрації малих оптичних сигналів.

Усі розглянуті типи фотодіодів можуть працювати як генератори фото-ЕРС.