1.2. Фотодиод

Фотодиод (ФД) - это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость его характеристик от освещенности p-n-перехода. Принцип работы фотодиода основан на том, что при облученииp-n-перехода появляются дополнительные носители зарядов и ток через переход увеличивается. Изменяя световой поток Ф, можно регулировать ток черезp-n-переход.

Фотодиод может работать в двух режимах (рис 6.3): фотопреобразовательном (ФП) и фотогенерации (ФГ).

Фотопреобразовательный режим характеризуется тем, что фотодиод работает со смещением, т.е. в цепь включен источник напряжения U_обр в обратном направлении. В этом режиме при Ф = 0 через переход протекает тепловой ток, равный по величине току обратно смещенного переходаI_Т=I_О. При увеличении светового потока Ф > 0 происходит повышение концентрации неосновных носителей и ток через переход увеличивается. Этому режиму на графике (рис. 6.4) соответствует область III, в которой фототокI_Физменяется пропорционально потоку Ф и практически не зависит отU_обр.

В режиме фотогенерации в цепи ФД отсутствует внешний источник питания и сам фотодиод является источником фото-ЭДС E_ф. Вольт-амперная характеристика для этого режима соответствует области IV на рис. 6.4.

Принцип работы ФД поясняется на рис. 6.5 и в режиме фотогенератора заключается в следующем. При облучении такой структуры световым потоком Ф происходит генерация пар электрон-дырка n_i=p_i, которые под действием запирающего электрического поля на переходеE_запразделяются по знаку (дырки уходят вp-область, а электроны - вn-область).

В результате чего, на концах структуры появляется фото-ЭДС E_ф, причем направлена она встречно по отношению кE_зап. Чем больше величина потока Ф, тем больше и значениеE_ф, а, следовательно, и фототокI_ф.

При этом в режиме короткого замыкания при фототок равен току к.з.В режиме холостого хода приток равен нулю, а напряжение равно фото-ЭДС.

В области I при прямом включении фотодиод ведет себя практически как обычный диод, т.к. на фоне большого прямого тока I_прне существенна добавка, вносимая за счет фототокаI_ф.

Недостатком ФД является большая температурная нестабильность.

К достоинствам ФД относятся высокая чувствительность, хорошие частотные свойства и малые габариты.

Основные параметры ФД:

- чувствительность S=dI_Ф/dФ составляет 10^ки100^нимА/лм;

- обратный темновой ток I_О=I_Т;

- ток короткого замыкания I_к.з.= 10^ки100^нимА;

- инерционность составляет 1^цы10^кинс;

- верхняя граничная частота f_в= 10^ки100^ниМГц.

Фотодиоды могут использоваться как фотоприемники в различных устройствах автоматики как в режиме фотопреобразования, так и в режиме фотогенерации.

1.3. Фототранзистор

Фототранзистором (ФТ) называют фотогальванический элемент с двумя p-n-переходами, предназначенный для преобразования светового потока в электрические сигналы. Структура и схемы включения фототранзистора показаны на рис. 6.6.

Фототранзисторы изготавливают из тех же материалов, что и фотодиоды: кремний, германий и т.д. Световой поток Ф имеет свободный доступ к базовой области. Фототранзистор включается в цепь как диод с одним свободным электродом (рис. 6.6, б) или как обычный транзистор (рис. 6.6, в). В общем случае возможны три варианта схем включения ФТ: с ОБ, с ОЭ и с ОК.

Принцип действия ФТ заключается в следующем. При облучении световым потоком базовой области, в ней происходит генерация пар электрон-дырка. При этом электроны, являясь неосновными носителями в базе, свободно проходят в коллекторную область, увеличивая ток I_кво внешней цепи. Дыркиp_iидут к эмиттерному переходу, их концентрация здесь увеличивается и снижается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Таким образом, создаются благоприятные условия для инжекции основных носителей из эмиттера через базу в коллектор, т.е. внешний световой поток Ф в данном случае выполняет роль тока базы как и в обычном транзисторе.

Величина тока коллектора I_k=I_ф, где- коэффициент усиления транзистора по току;I_ф=SФ - фототок, пропорциональный световому потоку;S=dI_ф/dФ - чувствительность фототранзистора.

Фототранзисторы используются в качестве приемников световых излучений. Кроме биполярных транзисторов изготавливают лавинные ФТ, а также ФТ на основе МОП и МДП структур.

К недостаткам ФТ относятся:

- большой уровень шумов;

- температурная нестабильность.

Достоинствами являются:

- высокая чувствительность (в раз больше, чем у фотодиода);

- возможность двойного управления: за счет потока Ф и за счет тока базы I_бпутем подключения свободного электрода базы к внешним источникам.