Фотодіоди

Фотодіодом називається напівпровідниковий фотоелектричний прилад з внутрішнім фотоефектом, який має один електронно-дірковий перехід і два виводи. Фотодіоди можуть працювати в одному з двох режимів: 1 - без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фото генератора); 2 - з зовнішнім джерелом електричної енергії (режим фотоперетворювача).

В першому режимі використовується фотогальванічний ефект – різновидність внутрішнього фотоефекта, яка зв’язана з утворенням різниці потенціалів (фото-е.р.с.) при освітленні неоднорідного напівпровідника. Фото діоди, як і звичайні напівпровідникові діоди, складаються з двох місцевих напівпровідників з різними типами електропровідності, на границі між якими утворюється р-n-перехід (рис. 5). Фотодіоди виготовлюються з германію, кремнію, селену, арсеніду галію, арсеніду індію, сульфіду кадмію і інших напівпровідникових матеріалів. Зазвичай пристрій фотодіодів такий, що світловий потік при освітленні приладу напрямлений перпендикулярно поверхні р-n –переходу (рис. 5). При відсутності освітлення і зовнішнього джерела електричної енергії в області р-n –переходу виникає, як і будь-якому напівпровідниковому діоді. Потенціальний бар’єр, обумовлений не рухомими носіями заряду – позитивними іонами в n- області і від’ємними іонами в р-області.

При падінні світлового потоку на фотодіод фотони, пройшовши в площину напівпровідника, надають частині валентних електронів енергію, яка необхідна для переходу в зону провідності. В результаті в обох областях збільшується число пар вільних носіїв заряду (основних і неосновних), також дірок і електронів. Під дією контактної різниці потенціалів (потенціального бар’єра) р-n- переходу неосновні носії заряду n-області – дірки – переходять в р-область, а неосновні носії заряду р-області – електрони в n-область. Це приводить до утворення на клемах фотодіода при розімкнутому зовнішньому колі різниці потенціалів, називаються фото-е.р.с.. Гранично можливе значення фото-е.р.с. рівне контактній різниці потенціалів, яка складає десяті частини вольта. Так, наприклад, у селенових і кремнієвих фотодіодах фото-е.р.с. досягає 0,5-0,6В, у фотодіодах з арсеніду галію – 0,87В.

Якщо замкнути клеми освітленого фотодіода через резистор, то в електричному колі появляється струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду, значення якого залежить від фото-е.р.с. і опору резистора. Максимальний струм при одній і тій освітленості фотодіода буде при опорі резистора, рівному нулю, також при короткому замиканні фотодіода. При опорі резистора, не рівному нулю, струм в зовнішньому колі фотодіода значно зменшується.

Напруга холостого ходу фотодіода, тобто фото-е.р.с., зв’язана з світловим потоком логарифмічною залежністю. При великих світлових потоках наступає насичення і ріст фото-е.р.с. припиняється. Фотодіоди, які працюють в режимі фотогенератора, часто використовують в якості джерела живлення, які перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Вони називаються сонячними елементами і входять в склад сонячних батарей, які використовуються на космічних кораблях. Зараз ведуться розробки земних сонячних батарей. Із напівпровідникових матеріалів, які забезпечують найбільш високий ККД, в сонячних елементах використовують кремній, фосфід індію, арсеніду галію, сульфід кадмію, телуріду кадмію і інші. ККД кремнієвих сонячних елементів складає близько 20%, а плівкові сонячні елементи можуть мати значно більший ККД. Важливими технічними характеристиками, параметрами сонячних батарей являються відношення їх вихідної потужності до маси і площі, займаною сонячною батареєю. Ці параметри досягають значення 200 Вт/кг і 1 кВт/м відповідно.

Якщо до неосвітленого фотодіоду підключити джерело, значення і полярність напруги якого можна змінити, то виміряні при цьому вольт-амперні характеристики будуть мати такий же вигляд, як і у звичайного напівпровідникового діода (рис. 6). При освітленні фотодіода значно змінюється лише зворотна вітка вольт-амперної характеристики, прямі ж вітки практично співпадають при порівнянно невеликих напругах. Відрізок ОВ на рис. 6 відповідає напрузі холостого ходу освітленого фотодіода, тобто фото-е.р.с., а відрізок ОА – струму короткого замикання фотодіода. Відрізок АВ характеризує роботу фотодіода в режимі фотогенератора.

Вольт-амперні характеристики фотодіода в цьому режимі при різних значеннях світлового потоку побудовані на рис. 7. При наявності резистора в зовнішньому колі фотодіода струм і напруга можуть бути визначені графічно по точках вольт-амперної характеристики фотодіода і резистора.

Режим фотоперетворювача відповідає подачі напруги на фотодіод в замикаючому напрямку (відрізок АВ на рис.6).

Вольт-амперні характеристики фотодіода в цьому режимі при різних значеннях світлового потоку показані на рис. 8. Вони аналогічні колекторним характеристикам транзистора, включеного за схемою з загальною базою, тільки параметром являється не струм емітера, а світловий потік фотодіода. При наявності навантажувального резистора R_н, включеного послідовно з джерелом е.р.с. (рис. 9), значення струму і напруги U_вих можна визначити, побудувавши лінію навантаження, яка відповідає опору резистора R(рис. 8). Як видно, струм мало залежить від опору навантаженого резистора і прикладеної напруги.

Струмову чутливість фотодіода, який працює в режимі фотогенератора, вимірюють при короткому замиканні за формулою

(1)

В режимі фотоперетворювача струм практично рівний струму короткого замикання, тому чутливість фотодіода по струмові в двох режимах прийнято вважати рівною. Чутливість фотодіодів (мА/лм): селенових – 0,3 – 0,75, кремнієвих – 3, сіро-срібних- 10-15, германієвих - до 20.

Темновий струм фотодіода, так як і в фоторезисторів, обмежує мінімальне значення виміряного світлового потоку. У германієвих діодах він рівний 10-30мкА, у кремнієвих – 1-3мкА. Енергетична характеристика фотоструму фотодіода в режимі фотоперетворювача лінійна. А в режимі фотогенератора значно залежить від опору резистора, під’єднаного в зовнішнє коло.

Спектральна характеристики фотодіодів залежать від матеріалів фотодіода. Зараз селенові фотодіоди мають спектральну характеристику, близьку по формі до спектральної залежності чутливості людського ока, тому їх широко використовують в фото-і кінотехніці. Германієві кремнієві фотодіоди мають чутливість як у видимій, так і в інфрачервоній частині спектра випромінювання.

В наш час створені високочастотні (швидкодіючі) фотодіоди на основі германія і арсеніду галію, які можуть працювати при частотах модуляції світлового потоку в декілька сотень мегагерц.

Важливим недостатком фотодіодів являється залежність значення їх параметрів від температури. В частковості, темновий струм зростає майже вдвічі при збільшенні температури на 10С, що обмежує в ряді випадків використання фотодіодів. При цьому необхідно мати на увазі, що кремнієві фотодіоди більш стабільні.

В порівнянні з фоторезисторами фотодіоди являються більш швидкодіючими, але вони мають меншу чутливість.