Фотодиод

Рис. 7.14 УГО

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода.

Устройство фотодиода: p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через к

Материалами, из которых выполняют фотодиоды - Ge, Si, GaAs, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, Тl₂S, Ag₂S, твердый раствор HgCdTe (mercury cadmium telluride) и др.

Подвижность электронов из HgCdTe с большим содержанием ртути очень высока. Среди распространенных полупроводников, используемых для инфракрасного обнаружения, только InSb и InAs превосходить подвижность электронов из HgCdTe при комнатной температуре.

Рис. 7.15 Устройство фотодиода

Рис. 7.16 Схема включения фотодиода - фотодиодный режим

!! E_внеш совпадает по направлению с E_дифф

Напряжение источника питания приложено к фотодиоду в обратном направле­нии.

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный (темновой) ток не­большой величины (10-20 мкА для Ge и l-2 мкА для Si) неосновных носителей.

При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области и дырок из n-области. Это при­водит к увеличению обратного тока и падению напряжения нарезисторе R_H.

Т.о. происходит преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал.

Режим, при котором фотодиод включается в схему с внешним источником питания, называют фотодиодными режимом, т.е. при таком режиме фотодиод - управляемое светом сопротивление.

Фотодиод может включаться без внешнего источнщса питания (рис. 7.17) = это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим.

Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок).

Накопление основ­ных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС (_фд).

При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото - ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.

Чем больше ширина запрещенной зоны и чем больше концентрация примесей в областях, тем больше фото -ЭДС.

Рис. 7.17 Фотогенераторный режим

!! E_фд противоположно по направлению с E_дифф

Характеристики фотодиода

Основными характеристиками фотодидов являются ВАХ, световая и спек­тральная.

1. ВАХ, определяет зависимость тока фото­диода от напряжения на нем при постоян­ной величине светового потока.

При полном затемнении (Ф_о= 0) через фо­тодиод протекает темновой ток 1_Т.

Рабочая часть ха­рактеристик при работе в фотодиодном ре­жиме лежит в третьем квадранте.

Рис. 7.18 ВАХ фотодиода

Характерной особенностью рабочей области ВАХ (обратной ветви) является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Такой режим наступает при и_обр порядка 1B.

Линейная зависимость фототока от освещенно­сти является достоинством фотодиода.

2. Световая характеристика, показывает зависимость тока фотодиода от вели­чины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. При изменении температуры световая харак­теристика смещается параллельно начальному положению.

3. Спектральная характеристика, показывает зависимость спектральной чувст­вительности от длины волны падающего на фотодиод света.

Рис. 7.19 Световая характеристика и спектральная характеристика I_ф=∫I_фd, =2/

^

Основные параметры фотодиодов

1. Интегральная чувствительность S_инт - отношение фототока к интенсивно­сти излучения заданного спектрального состава

2. Рабочее напряжение;

3. Темновой ток;

4. Максимальное обратное напряжение U_{max ф} (4-12 В);

5. Допустимая рассеиваемая мощность Р_рас [мВт];

6. Диапазон температур -60° - +70°С.

Сочетание светодиода с фотоприемником позволяет создать новый класс при­боров, называемый оптронами.

ПРИЛОЖЕНИЕ к лекции №7

Цвета свечения светодиода и материалы используемых полупроводников

Для изготовления светодиодов, используются различные полупроводниковые материалы. В зависимости от величины энергетического барьера, или ширины запрещенной зоны, испускается излучение различных участков спектра. Прямое падение напряжения на светодиоде зависит от величины запрещенной зоны.

Цвет	Длина волны (nm)	Прямое напряжение (V)	Материал полупроводника
Инфракрасный	λ > 760	ΔV < 1.9	Арсенид Галлия (GaAs) Арсенид Галлия и Алюминия (AlGaAs)
Красный	610 < λ < 760	1.63 < ΔV < 2.03	Арсенид Галлия и Алюминия (AlGaAs) Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия (GaP)
Оранжевый	590 < λ < 610	2.03 < ΔV < 2.10	Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия (GaP)
Желтый	570 < λ < 590	2.10 < ΔV < 2.18	Арсенид Фосфид Галлия (GaAsP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Галлия (GaP)
Зеленый	500 < λ < 570	1.9 < ΔV < 4.0	Нитрид Галлия Индия (InGaN) / Нитрид Галлия (GaN) Фосфид Галлия (GaP) Фосфид Алюминия Галлия Индия (AlGaInP) Фосфид Алюминия Галлия (AlGaP)
Синий	450 < λ < 500	2.48 < ΔV < 3.7	Селенид Цинка (ZnSe) Нитрид Галлия Индия (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве подложки
Фиолетовый	400 < λ < 450	2.76 < ΔV < 4.0	Нитрид Галлия Индия (InGaN)
Пурпурный		2.48 < ΔV < 3.7	синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром
Ультрафиолетовый	λ < 400	3.1 < ΔV < 4.4	Углерод - алмаз (235 nm) Нитрид Бора (215 nm) Нитрид Алюминия (AlN) (210 nm) Нитрид Алюминия Галлия (AlGaN) Нитрид Алюминия Галлия Индия (AlGaInN) — до 210 nm
Белый	Широкий спектр	ΔV = 3.5	Синий/УФ диод и желтый фосфор

9