Принцип действия фотодиода
В основе работы полупроводникового фотодиода лежат явления внутреннего фотоэффекта и разделения носителей полем p-n перехода.
При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках при поглощении фотона с энергией, достаточной для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, происходит образование пары электрон-дырка.
При относительно низких интенсивностях изменение концентрации основных носителей при внутреннем фотоэффекте незначительно по сравнению с равновесной концентрацией.
По этой причине изменение прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода при освещении p-n перехода незаметно. Для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ p-n перехода.
Носители, созданные светом на расстоянии диффузионной длины с обеих сторон p-n перехода (рис. 3) диффундируют к p-n переходу и увлекаются там электрическим полем.
Разделение носителей происходит по той причине, что основным носителям при движении через p-n переход приходится преодолевать потенциальный барьер, тогда как неосновные носители попадают в ускоряющее поле и легко перебрасываются на другую сторону p-n перехода. Кроме того, происходит и разделение пар, генерированных светом в пределах p-n перехода. В результате дырки движутся в p-область, а электроны - в n-область, создавая электронный ток, направленный в n-область.
Суммарный фототок неосновных носителей I=Ifn+Ifp нарушает тепловое равновесие и заряжает p-область положительно относительно n-область (рис. 4).
При этом создается разность потенциалов, стремящаяся понизить величину барьера, как если бы к переходу было приложено напряжение φ в прямом направлении. Возникшее таким образом смещение p-n перехода в прямом направлении вызывает прямой ток, образованный уже основными носителями и направленный противоположно току фотоносителей.
В случае, если внешняя цепь фотодиода разомкнута и, следовательно, внешнее напряжение отсутствует, то φ называют вентильной фотоэдс.
Вольт-амперная характеристика фотодиода
Пусть последовательно с фотодиодом (рис. 5) включен источник обратного напряжения Eвн и внешнее сопротивление R (фотодиодный режим работы прибора).
В этом случае ток через p-n переход создается потоком неосновных носителей и определяется уравнением
I=
–If
+Is(e
-1).
(2)
Знак «-» означает, что фототок фотодиода течет в обратном направлении.
Величина
напряжения на переходе U
является результатом совместного
воздействия светового потока Φ,
приводящего к возникновению фотоэдс,
и напряжения источника питания Eвн.
При больших
отрицательных смещениях на переходе
>>
второе слагаемое обращается в -Is
и
I= –If –Is (3)
В этом случае и темновой ток Is и фототок If не будут зависеть от напряжения.
При
малых отрицательных смещениях
<<
,
I≈–If
–Is
≈
–If
.
(4)
Благодаря малой инерционности фотодиодов, а также тому, что световая добавка тока If может быть получена при наличии большого нагрузочного сопротивления во внешней цепи, фотодиодный режим является основным при преобразовании световых сигналов в электрические в схемах автоматики.
Если внешнее напряжение отсутствует (вентильный режим работы фотодиода), и внешняя цепь замкнута накоротко, то U = 0, и ток во внешней цепи определяется только фототоком
I= –If(Ф). (5)