ITge / itSi  104 Io  Ge / IoSi

При облучении одной из областей (базовой области) полупроводника излучением с энергией фотонов _ф  _з изменяется ее проводимость, т.к. возрастает энергия носителей. При этом основные носители остаются в объеме той области, где они возникли (т.к. из-за обратного включения у n-области +, а у p-области -), а неосновные проходят p-n переход, т.к. для них контактное поле является ускоряющим. Таким образом, неосновные носители образуют дополнительный (к темновому) - фототок

I_ф () = e N_ф = [e Ф()· / hc] [1 - ()] () () = S_I() Ф(),

N_ф - количество неосновных носителей;

Ф()· / hc - количество фотонов, падающих на чувствительную поверхность в единицу времени;

() - коэффициент отражения чувствительной поверхности;

() - квантовый выход внутреннего фотоэффекта (число пар фотоносителей - число поглощенных фотонов);

S() - токовая монохроматическая чувствительность ( определяется на линейном участке и в справочниках приводится ее значение при Т_цв.= 500 К)

Общий ток фотодиода выражается основным уравнением фотодиода

I_общ = I_т + I_ф = I_o [1 - exp(- e·u_д / kT)] + I_ф

Из последнего выражения следует, что фотодиод нелинейный элемент, управляемый оптическим излучением.

Зависимость тока от напряжения фотодиода показана на вольт – амперной характеристике (ВАХ), изображенной на рисунке 3.

Рисунок 3 — Вольт – амперная характеристика (ВАХ) фотодиода

Первичным сигналом фотодиода является фототок I_ф. Преобразуется фототок I_ф в напряжение сигнала посредством сопротивления нагрузки R_н.

Режимы включения фотодиода

Первичным сигналом фотодиода является фототок I_ф. Преобразуется фототок I_ф в напряжение сигнала посредством сопротивления нагрузки Rн. Существует два основных режима включения фотодиода.

1) Фотогальванический режим (см. рис. 3), в котором отсутствует источник питания (u_п = 0), т.е. используется свойство ФД генерировать фототок (или фото ЭДС) u_ф на напряжении нагрузки R_н. Подключение фотодиода в фотогальваническом режиме показано на рисунке 4.

Рисунок 4 — Подключение фотодиода в фотогальваническом режиме

При фотогальваническом режиме включения фотодиода существует два частных случая: режим короткого замыкания и режим холостого хода.

а) Режим короткого замыкания внешней цепи (u_д = 0) (см.рис.4), при котором фотоносители, преодолев контактный потенциальный барьер, вызывают ток во внешней цепи I_ф, который служит фотосигналом

I_ф = S() Ф() -

пропорциональным световому потоку Ф() (точка "а" на рис. 2 ). Режим короткого замыкания фотодиода показан на рисунке 5.

Рисунок 5 — Режим короткого замыкания фотодиода

б) Режим холостого хода - при разомкнутой внешней цепи (I_общ = 0). Режим холостого хода показан на рисунке 6.

Рисунок 6 — Режим холостого хода фотодиода

В режиме холостого хода фотоносители накапливаются - основные в той области, где они возникли, неосновные - в другой; эти фотоносители создают напряжение u_ф - фото ЭДС

u_ф = (kT / e) ln[1 + I_ф / I_o] = (- kT /e) ln[1 + S_I Ф() / I_o].

Полярность фото ЭДС обратна контактной разности потенциалов. В результате возникновения фото ЭДС высота потенциального барьера уменьшается. Это вызывает приращение тока основных носителей через p-n переход, направленного навстречу фототоку. Фототок возрастает до стационарного значения u_ф, обеспечивающего новое состояние динамического равновесия токов основных и неосновных носителей через p-n переход при данном потоке излучения Ф. Зависимость фото ЭДС нелинейна от потока излучения и зависит от температуры.

2) Фотодиодный режим - при приложении к облученному p-n переходу внешнего напряжения u_д (в обратном направлении). Подключение фотодиода в фотодиодном режиме включения показано на рисунке 7.

Рисунок 7 — Подключение фотодиода в фотодиодном режиме включения

Для основных носителей потенциальный барьер увеличивается и их ток практически прекращается. К темновому току неосновных носителей добавляется фототок (неосновных носителей), т.е. во внешней цепи течет суммарный (общий) ток

I_общ = I_т + I_ф = I_т + S_I Ф.

Напряжение фотосигнала равно

u_с = u_{н обл} - u_{н т},

где u_{н обл} - напряжение на нагрузке при облучении;

u_{н т} - напряжение на нагрузке в темноте.