3.5.3. Особенности работы фотодиодов

Фотодиод (ФД) – диод, прямой и обратный ток которого зависят от освещенности света, подающего на поверхность прибора.

ФД представляет собой диод с открытым для облучения световым потоком областей полупроводника, примыкающих к p-n-переходу (рис. 3.17, е).

Облучим фотодиод активным световым потоком Ф (лм), с частотой волны  большей, чем значение _кр  так называемой красной границы внутреннего фотоэффекта. Это означает, что энергия Е_кв > h_кр падающих квантов света, достаточна для генерации в полупроводнике дополнительных носителей заряда с концентрациями p, n.

Например (рис. 3.17, е), в р-области фотодиода за счет фотогенерации образуются неравновесные дырки p и электроны n. Заметим, что в р-области столь много основных носителей заряда  дырок (р_р), что концентрацией дополнительных дырок p можно пренебречь. Но концентрация дополнительных электронов n велика по сравнению с концентрацией дырок n_p, как неосновных носителей. Поэтому нас интересует поведение неравновесных электронов n в p-области, а также дырок р в n-области, если есть облучение и этой части кристалла.

Рис. 3.17. Схемы включения фотодиода (а-г) и его ВАХ (д)

Концентрация дополнительных дырок n в p-области растет в результате облучения фотонами и непрерывной генерации. Из p-области (рис. 3.17, е), через переход переходят неравновесные электроны (идут ″вверх″), подхватываются внутренним полем и накапливаются вблизи ″верхней″ границы перехода при l_n. Неравновесные дырки из p-области не могут выйти (их не пускает внутреннее поле перехода) и они накапливаются вблизи ″нижней″ границы перехода при l_р. По мере облучения заряд носителей, перешедших через переход (+ дырок  снизу,  электронов  сверху) возрастает и достигает равновесного состояния, которое поддерживается за счет равенства процессов генерации и рекомбинации.

Итак, в процессе облучения поддерживается фиксированной концентрация зарядов различных знаков на границах p-n-перехода. Следовательно, n-область фотодиода заряжается отрицательно, а p-область – положительно. Именно эти заряды вызывают появление на контактах прибора фото-ЭДС.

Как только освещение фотодиода прекратится, заряд, возникший на границах, уменьшается за счет рекомбинации носителей, и фото-ЭДС исчезнет.

Схемы включения ФД, его УГО и вольтамперные характеристики приведены на рис. 3.17. Фотодиод может работать как с внешним источником питания (рис. 3.17, а, б)  режим фотопреобразователя, так и без внешнего источника питания (в, г)  режим фотогенератора (режим фотоэлемента).

Режим фотопреобразователя при обратном включении

Допустим, что в схеме, представленной на рис. 3.17, а, мы приложили обратное напряжение к фотодиоду, не освещая его, и снимаем вольтамперную характеристику (рис. 3.17, д, III квадрант, кривая 1). При обратном смещении в цепи протекает тепловой ток I_s, в данном случае называемый темновым I_т, который весьма мал и может приниматься равным нулю.

Зафиксируем обратное напряжение U_b. При облучении начинается движение потоков неравновесных носителей, как описано выше: неосновные носители - электроны из p-области двигаются в n-область, а неосновные носители - дырки из n-области двигаются в n-область.

Обратим внимание, что возникшие потоки неосновных носителей увеличивают дрейфовую составляющую тока обратно смещенного p-n-перехода, и в данном режиме суммарный обратный дрейфовый ток I_ф(Ф) фотодиода возрастает и становится много больше, чем темновой ток: I_ф > I_т.

Фототоком называется разность токов, фактически равная I_ф:

I = I_ф  I_т = I_ф, (3.29)

Фототок пропорционален величине светового потока Ф, так, что:

I_ф = S_iФ, (3.30)

где S_i  интегральная чувствительность.

Увеличение светового потока Ф вызывает возрастание фототока I  I_ф (рис. 3.17, д, III квадрант, кривая 2). Поэтому при фиксированном напряжении по мере увеличения светового потока Ф вольтамперная характеристика освещенного фотодиода смещается ″вниз″.

Режим фотопреобразователя при прямом смещении

Допустим, что в схеме, представленной на рис. 3.17, б, мы приложили прямое напряжение к фотодиоду (″+″ на p-область), не освещая его, и снимаем вольтамперную характеристику (рис. 3.17, д, I квадрант, кривая 1).

При прямом смещении ВАХ неосвещенного фотодиода идентична вольтамперной характеристике обычного диода. Данный режим идентичен рассмотренному выше режиму фотопреобразователя, однако, теперь к фотодиоду подключается источник с полярностью, указанной на рис. 3.17, б, так что p-n-переход смещен в прямом направлении. Анализируемому режиму работы фотоэлемента соответствует серия ВАХ, расположенных в I квадранте. Если облучение отсутствует, то увеличение внешнего напряжения U вызывает увеличение прямого тока I за счет диффузионного потока основных носителей, аналогично обычному диоду (кривая 1, I квадрант).

Зафиксируем прямое напряжение U_а (рис. 3.17, д). При облучении в результате увеличения концентрации неосновных носителей, двигающихся за счет дрейфа встречно диффузионному потоку основных носителей, прямой ток фотодиода уменьшается, и ВАХ смещается вниз.

При подключении к фотодиоду внешнего прямого напряжения U и облучении потоком Ф ток фотодиода определяется выражением

I(U, Ф) = I_s(e^U/т – 1) – I_ф. (3.31)

Обратим внимание, что при освещении во всех квадрантах ВАХ фотодиода смещаются ″вниз″, но по разным причинам.

Режим фотогенератора

Фотоэлементом – прибор с выпрямляющим р-n-переходом, предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую.

В данном случае в схеме (рис. 3.17, в, г) отсутствует внешний источник питания. Фотодиод как фотоэлемент работает в двух режимах: холостого хода ХХ (в) и короткого замыкания КЗ (г).

В режиме холостого хода (рис. 3.17, в) ток через фотодиод отсутствует (внешний источник и нагрузка не подключены). Если облучение отсутствует, то на контактах фотодиода напряжение, естественно, равно нулю U_ф = 0.

По мере облучения фотодиода заряд носителей, перешедших через переход (+ дырок  слева,  электронов  справа), возрастает. За счет этих зарядов образуется дополнительная разность потенциалов между границами p-n-перехода – возникает фото-ЭДС (+ в р-области). Другими словами, в режиме ХХ (при I = 0) при освещении на границах p-n-перехода появляется заряд, а, значит, на контактах А и К облучаемого фотодиода появляется ЭДС, называемая фото-ЭДС (полярность указана на рис. 3.17, в).

По мере увеличения светового потока Ф (лм) и накопления указанного заряда, напряжение холостого хода U_хх, отмечаемое на правой части оси абсцисс (рис. 3.17, д), возрастает. Другими словами, точки пересечения ВАХ с осью напряжения U (при токе, равном нулю) соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжения холостого хода при различных световых потоках Ф.

Фото-ЭДС, равная напряжению U_хх(Ф), не может превышать контактной разности потенциалов ₀: для кремниевых фотодиодов максимальное напряжение U_хх не превышает 1 В.

В режиме короткого замыкания (рис 3.17, г) контакты фотодиода замыкаются накоротко. В отличие от предыдущего случая, через диод идет ток, так что значениям токов короткого замыкания при различных уровнях освещенности соответствуют точки пересечения ВАХ с нижней осью токов (ось ординат).

В режиме короткого замыкания напряжение между контактами А и К фотодиода равно нулю, но ток в диоде равен фототоку, т.е. I =  I_ф = S_iФ. В режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Плотность тока короткого замыкания у кремниевых фотоэлементов при освещенности солнечным светом обычно 20-25 мА/см².

Поскольку в режиме работы фотоэлемента фотодиод подключается к произвольной нагрузке (резистор сопротивлением 0 < R <  обозначен пунктиром на рис. 3.14, г), то реальные случаи включения фотоэлемента описываются ВАХ, лежащими в IY квадранте (рис. 3.17, д, обозначены пунктиром). С учетом этих ВАХ при различных освещенностях можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, и таким образом определить оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения (фотоприемники), элементы солнечных батарей и т.п.

Люксметр  прибор, включающий в себя фотодиод, подключенный к вольтметру, который проградуирован в единицах освещенности Е (люкс).

К основным характеристикам фотодиодов можно отнести: диапазон длин волн активного излучения; интегральную чувствительность S_i, темновой ток I_т и постоянную времени .

Обозначение фотодиода состоит из букв ФД и номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность S_i = 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи с небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним или расположенным в одном корпусе вместе с фотоприемником.