2. Вольтаический режим

В вольтаическом режиме к фотодиоду прикладывается от внешнего источника обратное напряжение U_см, (рис. 2.3). И в этом случае при отсутствии засветки через p-n переход и нагрузочный резистор протекает темновой ток I_Т. Освещение индуцирует дополнительный фототок I_Ф. Суммарный ток в цепи будет складываться из темнового тока и фототока:

Рис. 2.3. Схема включения фотодиода в вольтаическом режиме.

.

Фотодиод в этом режиме обладает значительным внутренним сопротивлением (режим источника напряжения) и нагружается на схемы с большим входным сопротивлением.

3. Основные параметры фотодиода

Параметром называется характерная величина, которая служит критерием оценки качества данного объекта (например, фотоприемника - уровень собственных шумов), или процесса (например, релаксации - постоянная времени). К основным параметрам фотодиода относятся: время пролёта, ёмкость, эквивалентная мощность шума NEP, линейная (угловая) апертура, темновой ток, коэффициент преобразования (по току - , по напряжению , спектральный S_λ, интегральный S_A).

Рассмотрим временные параметры фотодиода детально. Постоянная времени фотодиода определяется как время, прошедшее от начала засветки входной апертуры фотодиода до достижения выходным электрическим сигналом на его нагрузке определённого уровня (например 0,5; 0,707; 0,9... от максимального значения) и выражается суммой:

23. ● времени пролёта t_пр носителей от места их генерации под действием света (в тонком поверхностном слое) до p-n перехода, где они рекомбинируют, типичное значение t_пр ≈ 0.1 нс;

24. ● постоянной времени τ схемной релаксации, определяемой параметрами RC-цепочки, образуемой емкостью p-n перехода фотодиода и сопротивлением нагрузки.

Ёмкость p-n перехода описывается выражением

,

где ε₀ = 8.85∙10^-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная вакуума, ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала фотодиода, (для используемых в настоящей работе ε_Si = 11.9 и ε_Ge = 16.0), S - площадь р-n перехода (площадь входного окна фотодиода), d_p-n - ширина области объёмного заряда для резкого р-n перехода (отметим, что за исключением р-i-n структур, переходы всех остальных промышленных фотодиодов можно считать резкими), определяемая формулой:

, (2.1)

где e = 1,6∙10^-19 Кл - заряд электрона, N - концентрация электронов в n- области, P- концентрация дырок в p- области, φ - контактная разность потенциалов. С хорошим приближением можно считать, что , где W - ширина запрещённой зоны используемого полупроводникового материала (для исследуемых фотодиодов W_Si = 1,12эВ, W_Ge = 0,66эВ).

Поскольку используемые в работе фотодиоды ФД-24 и ФД-10ГА имеют несимметричный p-n переход, то есть N<<P, то формула (2.1) принимает вид:

.

Таким образом, постоянную времени схемной релаксации, которую несложно измерить экспериментально, выразим как

. (2.2)

4. Основные характеристики фотодиода

Характеристикой фотоприёмника называют зависимость, описывающую поведение его выходного (электрического) сигнала как функцию какого-либо параметра входного (как правило, светового) сигнала.

К основным характеристикам фотодиода следует отнести спектральную, световую, частотную, нагрузочную, шумовую и ряд других. В данной лабораторной работе изучаются частотная, нагрузочная характеристики фотодиода и характеристика, описывающая чувствительность его фотоотклика к напряжению смещения. Остановимся на этих характеристиках подробно.

Частотная характеристика фотодиода определяется как зависимость амплитуды отклика фотодиода на синусоидально-модулированный по мощности поток излучения от f - частоты модуляции. При этом средняя мощность излучения от частоты модуляции не зависит - это обеспечивается условиями проведения эксперимента (в данной работе - путём поддержания мощности P модулированной части потока на одном и том же уровне - калибровкой источника излучения - оптического генератора). Аналитически токовая частотная характеристика выражается формулой:

(2.3)

При нелинейной зависимости U от R_Н соответствующую нагрузочную характеристику получают экспериментально, как функцию амплитуды фотоотклика (мощность излучения модулируется гармонически) от сопротивления нагрузки. Физически насыщение нагрузочной характеристики обусловлено собственным внутренним сопротивлением r фотодиода и описывается исходя из закона Ома для полной цепи .