14.3. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, имеющий один электронно-дырочный переход и два вывода.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопребразователя).

1. Устройство фотодиода

Рис. 187

Обычно устройство фотодиодов таково, что световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскостиp-n-перехода (рис. 187). В отсутствие освещения и внешнего источника электрической энергии в областиp-n-перехода возникает полупроводниковый барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда – положительными ионами вn-области и отрицательными ионами вp-области.

При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях увеличивается число пар свободных носителей заряда, т. е. дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов p-n-перехода неосновные носители зарядаn-области – дырки – переходят вp-область, а неосновные носители зарядаp-области – электроны – вn-область. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-э.д.с. Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор, то в электрической цепи появится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, значение которого зависит от фото-э.д.с. и сопротивления резистора.

2. Основные характеристики

Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник, то снятые при этом вольт-амперные характеристики будут иметь такой же вид, как и у обычного полупроводникового диода. При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь. ОтрезокОб на рис. 188 соответствует напряжению холостого тока, т. е. фото-э.д.с., аОа– току короткого замыкания фотодиода. Участокабхарактеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора.

Рис.188 Рис. 189

Чувствительность фотодиодов (мА/лм): селеновых – 0,3 – 0,75, кремниевых – 3, германиевых до 20.

Темновой ток фотодиодов у германиевых –10 – 30 мкА, у кремниевых – 1- 3 мкА. Энергетические характеристики фототока фотодиода в режиме фотопреобразователя линейны, а в режиме фотогенератора существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь (рис. 189).

Спектральные и частотные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры. По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

14.4. Фототранзисторы

Фототранзистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n переходами. Чаще всего фототранзистор изготавливают как обычный плоскостной транзистор из германия или кремния, но лишь с двумя выводами: коллекторным и эмиттерным. Устройство схема включения фототранзистора показаны на рис. 190, а, б.

Рис.190

Световой поток Ф падает на базовую область, поэтому эмиттер делают тонким и небольших размеров. Под воздействием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда – электроны и дырки. В фототранзисторе тип p-n-p неосновные носители заряда в базе (дырки) движутся через коллекторный переход, поле которого является для них ускоряющим, на коллектор, создавая фототок I_ф. Электроны, оставшиеся в базе, воздействуют на эмиттерный переход, умеьшая высоту потенциального барьера, что способствует переходу дырок из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая увеличение фототока фототранзистора.

Чувствительность фототранзисторов значительно выше чувствительности фотодиодов и составляет 0,5...1,0 А/лм.