6.2.2. Вольтамперная характеристика фотодиода

На рис. 6.1 показано семейство вольтамперных характеристик ФД при разных значениях падающей на него мощности излучения P. Семейство вольтамперных характеристик описывается выражением¹

, (6.2)

где U – напряжение смещения, e – заряд электрона, S – чувствительность ФД по току, I₀ – тепловой ток (обратный ток насыщения), темновой ток,k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура p-n перехода.

Ток I₀ сильно зависит от температуры, как мы уже знаем из лекции 5, его принято характеризовать температурой удвоения T_y. Если известно значение этого тока для температуры T₀, то для другой температуры T его значение можно рассчитать по выражению

, (6.3)

где T = T ‑ T₀, T_y = 8C для кремниевого и 5C для германиевого ФД.

Первый член в (6.2) описывает темновой ток (ток в отсутствие оптического излучения), второй член представляет собой фототок.

Рис. 6.1. Вольтамперные характеристики ФД

6.2.3. Схемы включения фотодиодов

В простейшем случае ФД можно непосредственно подключить к входу усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением (рис. 6.2а), который усиливает напряжение U_ф, величина которого равна

. (6.4)

Такая схема получила название фотовольтаическая.

В этой схеме ток через фотодиод не течет, напряжение U_вых=К·U_ф, гдеК– коэффициент усиления усилителя напряжения. Фотодиод работает в режиме холостого хода, напряжение на нем равноU_фх. Поскольку ток равен нулю, нагрузочная кривая на вольтамперной характеристике совпадает с осьюU.

По вольтамперной характеристике ФД можно определить ЭДС холостого хода U_фх (рис. 6.1). Недостатком этой схемы является нелинейная связь между фототоком, а, следовательно, и оптической мощностью и выходным напряжением.

В другом случае (рис. 6.2б) ФД подключается к входу УФТ, выполненного на основе операционного усилителя и резистора R в цепи отрицательной обратной связи. Такая схема называется трансимпедансной, так как ее коэффициент передачи, равный отношению выходного напряжения к входному току имеет размерность сопротивления (импеданса). Она имеет очень низкое входное сопротивление и напряжение на ФД практически равняется нулю. Это соответствует режиму короткого замыкания.

В этой схеме напряжение на фотодиоде равно нулю, напряжение U_вых= -I_фR. Фотодиод работает в режиме короткого замыкания, через него течет токI_фк. Поскольку напряжение равно нулю, нагрузочная прямая на вольтамперной характеристике совпадает с осьюI.

По вольтамперной характеристике ФД можно определить ток короткого замыкания I_фк.

Достоинствами трансимпедансной схемы включения являются высокая линейность преобразования оптической мощности в выходное напряжение, а также исключение шума темнового тока, который в этой схеме отсутствует (на вольтамперной характеристике при отсутствии смещенияU=0 темнового тока нет).

а)	б)
в)	г)
Рис. 6.2 Схемы включения ФД

На практике, однако, ФД в ВОСП почти всегда работают в режиме с обратным напряжением смещения (рис. 6.2в и г). Как будет показано ниже, в таких схемах существенно выше быстродействие ФД. В этих схемах также возрастает квантовый выход ФД и существенно расширяется полоса пропускаемых им частот.

Схема на рис. 6.2в является другой разновидностью трансимпедансной схемы на рис 6.2б. Она отличается от схемы рис 6.2б только наличием обратного смещения ФД. ФД по переменному току также работает в режиме короткого замыкания.

В этой схеме напряжение на фотодиоде равно E, напряжениеU_вых= (I_т‑I_ф)R. Поскольку напряжение равноE, нагрузочная прямая на вольтамперной характеристике параллельна осиIи пересекает осьUв точкеU = E.

В схеме рис. 6.2г используется УН с высоким входным сопротивлением, а для преобразования фототока во входное напряжение УН используется резистор R. При таком включении существенное значение имеют: входные сопротивление и емкость УН.

В этой схеме U_вых= -K_у(I_т+I_ф)R. Нагрузочная прямая показана на рис. 6.1.

По семейству ВАХ (по точкам их пересечения с нагрузочными кривыми) можно определить зависимость выходного электрического сигнала (фототока) от входного оптического.