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 носителейI=I_fn+I_fp 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 E_вн и внешнее сопротивление R (фотодиодный режим работа прибора). В этом случае ток через p-n-переход создается потоком не- основных носителей и определяется уравнением

I= –I_f +I_s(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 E_вн. При больших отрицательных смещениях на переходе >> второе слагаемое обращается в -I_s и

I= –I_f –I_s (3)

В этом случае и темновой ток I_s и фототок I_f не будут зависеть от напряжения.

При малых отрицательных смещениях

= << ,

I≈–I_f –I_s ≈ –I_f . (4)

Благодаря малой инерционности фотодиодов, а также тому, что световая добавка тока I_f 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= –I_f(). (5)