Прибор, основанный на фотогальваническом 
эффекте, называется фотодиодом. Основой такого прибора является мелкий (глубиной 3…5 мкм) p+-n переход в эпитаксиальной пленке Si или Ge (рис. 5, а). Небольшая глубина p+-n перехода необходима для уменьшения поглощения светового потока Ф, достигающего перехода. С целью снижения объемного сопротивления кристалла эпитаксиальная пленка n-типа проводимости выращивается на подложке сильно легированного кремния или германия n+ типа проводимости
11
Фотогальванический эффект
Устройство и принцип действия фотодиода
hf |
|
|
c |
Е |
|
|
|
|
|
p+ |
|
|
p+ |
к-Uхх |
|
|
hf |
|
|
n |
|
|
F |
|
|
Uхх |
|
||
n+ |
|
v |
|
|
|
|
n |
||
|
|
|
|
|
а |
б |
|
в |
jф+j0 |
|
jдиф |
|||
|
|
|
|
Рис. 5. Фотогальванический эффект: а – физическая структура p+-n перехо-
да; б - условное графическое изображение фотодиода; в – схема процессов, происходящих в p+-n переходе под воздействием света
12
Семейство ВАХ фотодиода
I, А
|
2 |
10-2 |
|
|
1 |
||
|
Ф2>Ф1 |
10-4 |
|
|
Uхх2 |
||
-U, В |
J0 |
||
10-6 |
|||
Ф0 |
Jф1 |
+U, В |
|
Ф1 |
|||
Jф2 |
4 |
||
Ф2 |
|
||
|
|
Рис. 6. Семейство вольтамперных
характеристика p-n перехода при различных 
уровнях освещения (1, 2, 4 – квадранты ВАХ)
Режим генерации фото ЭДС (фотовольтаический режим)
осуществляется без подключе- ния внешнего напряжения. Ему соответствует квадрант 4 вольт- амперной характеристики (рис. 6). Этот режим применяется в солнечных батареях (элемен- тах).
Фотодиодный режим реали- зуется при приложении к p-n переходу обратного напряжения смещения (квадрант 3). При последовательном подключении нагрузки между p-n переходом и источником питания, в нагрузке протекает фототок, пропорцио- нальный интенсивности осве- щения.
13
P-n переход в режиме генерации
фотоЭДС (разомкнутый p-n переход)
Фотовольтаический эффект - появление фотоЭДС на выводах p-n перехода при его освещении.
При освещении в p+-n переходе появляется фототок jф, 
направление которого совпадает с направлением обратного теплового тока j0. В свою очередь снижение потенциального барьера в переходе на величину Uхх приводит к увеличению диффузионного тока jдиф неосновных носителей заряда через 
p+-n переход. Для величины этого тока получим соотношение
|
U |
|
|
, |
(6) |
|
jдиф |
|
|
хх |
|||
j0 exp |
т |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
где j0 – обратный тепловой ток p-n перехода.
14
Поскольку через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и
дрейфовым токами устанавливается динамическое
равновесие:
jдиф=jф + j0. |
|
|
|
|
|
(7) |
|
При коротком замыкании внешних выводов p+-n |
|
||||||
перехода из выражений (6) и (7) следует, что |
|
||||||
величина фототока равна |
U |
хх |
|
|
. |
(8) |
|
|
|
|
|
1 |
|||
jф jдиф j0 j0 exp |
т |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
При фиксированном значении освещенности поверхности полупроводникового перехода значение
фототока jф является параметром.
При разомкнутых выводах p+-n перехода на выводах появляется фотоЭДС Uф=Uхх, величина которой рассчитывается из соотношения (8):
|
|
|
|
|
|
|
jф |
|
|
|
U |
хх |
U |
ф |
|
т |
ln |
|
|
1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(9) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
j0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
ВАХ фотодиода, работающего в фотовольтаическом режиме
0,2 0,4 Uхх, В
75 |
|
Rн =8 кОм |
|
100 |
|
Iф |
|
Rн =3 кОм |
|||
125 |
|||
|
Rн |
||
|
Rн =1 кОм |
||
Iф, мкА 
Рис. 7. Семейство ВАХ фотодиода, работающего
ввентильном (фотовольтаическом) режиме при различных уровнях освещения (Ф3>Ф2>Ф3)
На горизонтальной оси графиков отложе- ны значения напряже- ния холостого хода Uхх, возникающего на разо- мкнутых выводах фото- диода (Rн=∞). По верти- кальной оси отложены значения фототока Iф, протекающего в цепи при коротком замыкании вы- водов фотодиода (Rн= 0 Ом).
16
ВАХ фотоэлемента в фотодиодном режиме
|
Iф |
|
|
Rн |
|
|
Еп |
|
-U |
-15 В |
|
Ф0 |
I0=10 мкА |
|
Ф1 |
Iф1 |
|
Iф2 |
||
Ф2 |
||
Ф3 |
Iф3 =100 мкА |
I
Рис. 8. Семейство ВАХ p-n перехода в
фотодиодном режиме при различных уровнях освещения (Ф3>Ф2>Ф1)
Фотодиодный режим реализу- ется при приложении к p-n пере- ходу обратного напряжения сме- щения (квадрант 3). При после- довательном подключении нагруз ки между p-n переходом и ис- точником питания, в нагрузке про- текает фототок, пропорциональ- ный интенсивности освещения.
17
Фотодиодный режим работы
фотодиода
При подключении к освещенному p+-n переходу источника обратного смещения c напряжением U ток
в цепи будет равен j j p-n jф , |
(10) |
||||||
|
|
|
|
U |
|
|
|
где |
j p-n j0 |
|
|
|
1 |
. |
|
|
|
||||||
exp |
|
|
|||||
|
|
|
|
т |
|
|
|
Подставляя значение jp-n в формулу (10), получим,
что величина тока через освещенный p+-n переход определяется из выражения
|
|
|
U |
|
|
|
|
j j0 |
|
|
|
1 jф |
. |
(11) |
|
|
|
||||||
exp |
|
|
|||||
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
При значениях обратного напряжения |U|>>φт
равенство (11) можно записать в виде |
|
j j0 jф . |
(12) |
Из формулы (12) следует, что при освещении p+- n перехода, находящегося под обратным сме-
щением, величина обратного тока возрастает на величину фототока jф.
В качестве примера ниже (рис. 8) представлено 
семейство вольтамперных характеристик постро- 
енных в соответствии с выражением (11) для раз- личных значений световых потоков,Ф, падающих
на p+-n переход.
19