4.2.3 Фотодиод
Фотодиод - это обычный диод у которого обеспечена возможность подачи светового потока в область PN перехода.
Фотодиод используется в двух режимах: при обратных напряжениях - режим фотопреобразователя и в режиме фотогенератора, когда он является источником ЭДС.
При отсутствии светового потока ВАХ фотодиода имеет такой же вид как и у обычного диода (рисунок 4.3а кривая 1).
а б в
а - полная ВАХ диода; б - режим преобразователя; в - режим генератора
Рисунок 4.3 - ВАХ и режимы работы фотодиода
Воздействие светового потока приводит к образованию в объеме полупроводника пар носителей - электрон-дырка. В режиме преобразователя под воздействием обратного напряжения через переход протекает ток нео-сновных носителей: дырки из N - области в область P, а электроны из P - области в N - область. Очевидно, что с ростом светового потока, когда число носителей возрастает, обратный ток перехода будет возрастать (рису- нок 4.3a, кривая 2 - 4). На рисунке 4.3б приведена схема включения фотодиода в режиме преобразователя и семейство ВАХ.
В справочной литературе приводятся статические характеристики диодов, т.е. характеристики снятые при Rн= 0. Для определения тока в цепи и напряжения на диоде с учетом сопротивления нагрузки (динамический режим) необходимо решить задачу для последовательно соединенных нелинейного (VD) и линейного (Rн) элементов. Такая задача решается графо-аналитическим методом. На характеристиках нелинейного элемента строится характеристика линейного элемента и по точкам их пересечения определяются искомые величины. Нагрузочная прямая, как правило, строится по двум точкам: режим холостого хода - точка А (U=Un , I=0); режим короткого замыкания - точка В (U=0; Iк.з.=Un/Rн). Как следует из рисунка 4.3б, ток через диод слабо зависит от сопротивления нагрузки и напряжения питания (источник тока).
В генераторном режиме поглощение светового потока, происходящее в непосредственной близости от перехода, вызывает фотогальванический эффект. Упрощенная структура фотодиода изображена на рисунке 4.4а.
а б в
а – структура диода; б – энергетическая диаграмма (Ф=0);
в - энергетическая диаграмма (Ф>0)
Рисунок 4.4 - Фотодиод
При воздействии светового потока на полупроводник N-типа в нем образуются пары электрон-дырка (при условии, что энергия кванта светового потока vh больше ширины запрещенной зоны). Фотоносители диффундируют в глубь N-области. Ширина N-области такова, что основная доля созданных носителей не успевает рекомбинировать и доходит до границы PN-перехода. Электрическое поле PN-перехода разделяет носители: дырки перебрасываются в P-область, а электроны остаются в N-области . В результате у границы перехода в P-области образуется положительный, а в N-области отрицательный объёмный заряд. Возникшая таким образом разность потенциалов, называемая фото-ЭДС (Еф), снижает внутренний потенциальный барьер до величины Е = Ек - Еф (рисунок 4.4б, 4.4в). Уменьшение потенциального барьера ухудшает разделительные свойства PN-перехода. Очевидно, что Еф не может быть больше Ек.
Схема включения фотодиода и семейство статических ВАХ приведены на рисунке 4.3б.
В фотогальваническом (генераторном) режиме работы по точкам пересечения ВАХ с осью напряжений можно определить значение фото-ЭДС (напряжение холостого хода при Rн = для различных Ф). У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно 0,5 - 0,55В. Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствует значениям токов короткого замыкания (Rн= 0). Промежуточные значения напряжений и токов определяются пересечением ВАХ с нагрузочными прямыми, которые выходят из начала координат под разными углами. При заданном значении Ф можно определить оптимальное значение Rн (отдаваемая мощность максимальна). Очевидно, что это такое сопротивление, при котором площадь заштрихованного прямоугольника максимальна рисунке 4.3в.
Энергетическая характеристика фотодиода - это зависимость тока от светового потока. В режиме фотопреобразователя эта зависимость линейная, а в генераторном режиме имеет участок насыщения (рисунок 4.5а).
Снижение роста фото-ЭДС с ростом Ф объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда и, как следствие этого, поле PN-перехода хуже разделяет фотоносители. Спектральная характеристика фотодиода имеет такой же вид как и для фоторезистора.
а б в
а - энергетическая; б - спектральная; в - семейство статических ВАХ
в режиме преобразователя и определение динамической чувствительности
Рисунок 4.5 - Характеристики фотодиода
Параметры фотодиодов:
Дифференциальная интегральная чувствительность - показывает как изменяется световой ток при изменении светового тока (спектр светового потока находится в диапазоне частот 1,2).
(
2.29 )
Дифференциальная чувствительность к монохроматическому излучению (определяется также, только на определённой частоте)
Статическая интегральная и статическая к монохроматическому излучению чувствительности определяются следующим образом
Диапазон спектральной чувствительности - граничные значения длин волн (нижняя и верхняя) при которой монохроматическая чувствительность равна 0,1Smax.
Максимум спектральной характеристики - длина волны, соответствующая Smax.
Рабочее напряжение- напряжение, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе.
Темновой ток-это ток обратно смещённого диода при Ф = 0.
Допустимое обратное напряжение (Uобр max).
Постоянные времени нарастания и спада светового потока характеризуют инерционные свойства диода. Определяют граничную частоту модуляции, на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707Smax.