Фотодиодный режим.

Благодаря своей простоте вентильный (фотогальванический) режим широко используется при конструировании различных фотоэлементов и создании солнечных батарей. Однако для для использования фотодиода как фотоприемника наиболее целесообразным оказывается его подключение с подачей на p-n переход обратного напряжения смещения. Поэтому, обычно фотодиод определяют как полупроводниковый диод, в котором под действием падающего на него светового потока образуются подвижные носители зарядов, создающие дополнительный ток (фототок) через обратно смещенный р-п переход.Такой режим использования фотодиода в качестве фотоприемника называется фотодиодным. Фотодиодный режим обладает рядом достоинств по сравнению с фотогальваническим: малой инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима – наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. Поэтому, при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника в ряде случаев фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Принцип действия фотодиода в фотодиодном режиме основан на физических процессах, протекающих в облученном переходе, которые рассматривались выше. В отсутствие светового потока (Ф = 0) в фотодиоде, под действием обратного напряжения, течет обратный ток, значение которого, как известно, определяется концентрацией неосновных носителей в полупроводниках, площадью перехода, физическими процессами в области запирающего слоя и т. д.

При освещении фотодиода (Ф > 0) под действием квантов света развивается процесс генерации пар зарядов. Наиболее интенсивен процесс генерации пар зарядов у внешней освещаемой поверхности. Вновь образовавшиеся электроны и дырки диффундируют к p-n переходу. Достигая перехода, дырки из n-области, а электроны из p-области (неосновные носители) увлекаются контактным полем и выбрасываются в р- и n-область соответственно, увеличивая таким образом плотность потока неосновных носителей через переход, а следовательно, и обратный ток в приборе (см. кривую 2 на рис.2). Для того чтобы вновь образовавшиеся дырки и электроны могли в большинстве своем достичь области p-n перехода, глубина залегания его относительно освещаемой поверхности должна быть меньше диффузионной длины обоих носителей заряда.

Поскольку фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничем практически не отличается от полупроводникового диода, то его вольт-амперная характеристика имеет вид кривой 1 на рис.2.

С точки зрения изучения фотодиодного режима нас прежде всего интересует та часть вольт-амперной характеристики, которая расположена в четвертом квадранте.

Для определения зависимости тока, текущего через фотодиод, от приложенного напряжения воспользуемся полученным ранее соотношением ( ЗАПОЛНИТЬ НОМЕР ФОРМУЛЫ – нет в методичке) в виде:

или (16)

В рассматриваемом случае внешняя цепь содержит дополнительный источник напряжения и следовательно, напряжение на p-n переходе равно:

(17)

Учитывая это, перепишем выражение (16), следующим образом:

или (18)

Построенные в соответствии с (18) вольт-амперные характеристики фотодиода (рис.4, а) представляют собой часть вольт-амперной характеристики облученного p-n перехода (рис. 2, кривая 2).

Как уже было сказано, темновая характеристика (Ф = 0) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода. Поэтому в кремниевых фотодиодах темновой ток значительно меньше, чем в германиевых, а его некоторый рост с повышением обратного напряжения объясняется теми же причинами, что и для полупроводниковых диодов

С увеличением светового потока фототок с соответствии с ( ) растет линейно, что и определяет эквидистантность характеристик при Ф > 0 при условии, что .

Одна из возможных конструкций фотодиода и схема его включения показаны на рис. 5, а и б. Круглая пластина n-германия, служащая базой, помещена в металлический корпус против окна, закрытого стеклом. Электронно-дырочный переход образован путем вплавления в пластинку германия капли индия. Таким образом, в фотодиоде этой конструкции световой поток направлен перпендикулярно плоскости р-п перехода. Возможно и другое расположение кристалла полупроводника, когда световой поток параллелен плоскости перехода.

В качестве активного элемента в фотодиодах могут использоваться электрические переходы различных типов: резкий симметричный р-п переход, p-i-n переход, электронно-дырочный переход с меняющийся по толщине эмиттера концентрацией примесей (переходе встроенным электрическим полем), переход металл — полупроводник (диод с барьером Шоттки), гетеропереход и др.