5.8.4 Фотодиоды

В качестве фотодиода используется полупроводниковый диод с ЭДП, смещенном в обратном направлении внешним источником питания. В отличие от обычного в корпусе фотодиода имеется специальная линза, через которую внешний световой поток направляется перпендикулярно плоскости p-n-перехода (рис.5.37а). При отсутствии освещения на границе p- и n- областей возникает диффузионное электрическое поле, создаваемое неподвижными положительными (в n-области) и отрицательными (в p-области) ионами. В результате между p- и n- областями образуется контактная разность потенциалов U_к (потенциальный барьер), уравновешивающая ток дрейфа и ток диффузии подвижных носителей заряда, благодаря чему при отсутствии внешнего напряжения ток через ЭДП равен нулю, а p- и n- области остаются электрически нейтральными.

Условное обозначение фотодиода показано на рис. 5.37б.

Если к диоду приложить обратное напряжение от внешнего источника питания, то произойдет увеличение объемного заряда на границе p- и n- областей, в результате чего увеличивается разность потенциалов между p- и n- областями и через диод будет протекать незначительный обратный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. При освещении диода часть валентных электронов p- и n- областей а также области объемного заряда (запирающего слоя, или p-n-перехода) приобретает энергию, достаточную для их перехода в зону проводимости. В результате концентрация неосновных (а также и основных) подвижных носителей заряда в обеих областях фотодиода и в областях объемного заряда увеличится, что приведет к увеличению обратного тока, протекающего через фотодиод (рис. 5.37в). Чем больше световой поток Ф, тем большее значение будет иметь обратный ток. Если в электрическую цепь с фотодиодом включить резистор нагрузки R_н (рис. 5.37г), то изменение освещенности фотодиода будет приводить к изменению напряжения на этом резисторе.

Такой режим фотодиода называют режимом фотопреобразователя.

В отличие от обычных диодов фотодиод может работать также и в режиме фотогенератора, в котором фотодиод является источником электрической энергии. Сущность этого режима заключается в следующем.

В неосвещенном фотодиоде, как было отмечено, процессы дрейфа неосновных носителей и диффузии основных носителей заряда

у равновешиваются контактной разностью потенциалов, образованной на границе p- и n- областей, благодаря чему эти области остаются электрически

Рисунок 5.37. Принцип действия фотодиода

нейтральными. При освещении фотодиода фотоны света, воздействуя на валентные электроны полупроводника, сообщают им дополнительную энергию, благодаря которой часть валентных электронов отрывается от атомов и становятся свободными, т. е. переходят в зону проводимости. Иными словами, происходит «дополнительная» генерация пар электрон-дырка и ионизация примесных атомов в p- и n- областях.

/

На рис. 5.37д показана энергетическая диаграмма фотодиода. Электроны обозначены жирными точками, дырки – маленькими кружками, а положительные и отрицательные ионы – большими кружками со знаками «+» и «-» соответственно. Середины запрещенных зон имеют энергетический уровень W_i, а уровни Ферми областей p и n обозначены соответственно как W_фp и W_фn.

Образовавшиеся дополнительные электроны в области объемного заряда под действием диффузионного поля Е_диф, созданного контактной разностью потенциалов, переходят в n-область, а дырки – в p-область. Кроме того происходит переход дополнительно образовавшихся дырок (неосновных носителей) n-области, попавших в зону действия диффузионного поля, в p-область, и дополнительно образовавшихся электронов из р-области в n-область. В результате n-область получает дополнительный отрицательный заряд, а p-область – дополнительный положительный заряд, т.е. между p- и n- областями образуется разность потенциалов, называемая фото-э.д.с. Значение фото-э.д.с. составляет десятые доли вольта. Так, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-э.д.с. достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Фото-э.д.с. можно определить по характеристикам, приведенным на рис. 5.37в. Например, при освещении фотодиода световым потоком Ф₂ фото-э.д.с. будет соответствовать отрезку 0а.

Если освещенный фотодиод подключить к резистору нагрузки (рис. 7.5е), то в цепи появится электрический ток, значение которого зависит от фото-э.д.с. и сопротивления резистора.

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую (солнечные элементы). Для увеличения напряжения и тока солнечные элементы объединяются в батареи. Важным технологическим параметром солнечных батарей является отношение их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно.

Свойства фотодиодов можно характеризовать параметрами и характеристиками, аналогичными параметрам и характеристикам фоторезисторов. В отличие от фоторезисторов интегральная чувствительность фотодиодов не зависит от приложенного обратного напряжения и определяется как отношение S = I_ф/Ф. У селеновых фотодиодов S = (0,3…0,75) мА/лм, у кремниевых – 3 мА/лм, у германиевых – до 20 мА/лм, у серно-серебряных – S = (10…15) мА/лм.

Другой особенностью фотодиодов является малая инерционность, что обеспечивает их преимущество перед фоторезисторами.

Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов, ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока.

У германиевых фотодиодов I_т = (10…30) мкА, у кремниевых – (1…3) мкА.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от используемого в них материала.

У селеновых фотодиодов она близка к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, а у германиевых и кремниевых располагается как в видимой, так и в инфракрасной частях спектра излучения.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость их параметров от температуры: при повышении температуры на 10^ОС темновой ток возрастает почти в два раза.

Помимо фотодиодов с p-n-переходом имеются фотодиоды с поверхностным барьером Шотки, образуемым при контакте металла с полупроводником, а также лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность и способные работать в диапазоне СВЧ.

Ф отодиоды имеют буквенный код ФД и цифру, определяющую

Рисунок 5.38. Принцип действия фототранзистора

порядковый номер разработки (например, ФД-3).