Фотодиоды

Наблюдая за последствиями облучения селенового столбика, ученые Адамс и Дей в 1876 г. открыли вентиль­ный фотоэффект, который проявляется вырабатыванием ЭДС между полупроводниковыми переходами или пере­ходами металл - полупроводник под воздействием света, который падает только на одну часть переходов.

Фотодиодом называется фотогальванический приемник излучения, светочувствительный элемент которого пред­ставляет собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления. Полупроводниковыми материалами для изготовления фотодиодов могут служить антимонид индия, арсенид галлия, германий. Фотодиоды широкого потребления функционируют при комнатной температуре корпуса компонента, а некоторые специальные фотодиоды для минимизации шумов охлаждают жидким азотом.

При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов (рис. 6.16), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов, и ток через фотодиод возрастает.

Рис. 6.16. Облучение перехода фотодиода

Кроме того, фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как неосновных но­сителей зарядов значительно меньше, чем основных (рис. 6.17).

Рис. 6.17. ВАХ фотодиода

Таким образом, обратный ток в фотодиодах зависит от освещенности кристалла полупроводника. Для фотодиодов обратный ток I_обр = I_ф, где I_ф - фототок. За­висимость фототока I_ф от величины светового потока: I_ф = f (Ф) (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Зависимость фототока

Спектральная характеристика - зависимость фо­тотока от длины волны светового излучения I_ф = f (γ) (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Спектральная характеристика

Темновой ток - ток через фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочем напряжении. Интегральная чувствительность - отношение фото-тока к интенсивности светового потока

S = I_ф/Ф.

Размерность чувствительности фотодиода выражают в миллиамперах на люмен: мА/лм. Чувствительность лучших фотодиодов может достигать 30 мА/лм.

Рабочее напряжение — обратное напряжение, подава­емое на фотодиод, при котором все параметры фотодиода будут оптимальными.

Также важно знать при слабом освещении характер шумов, генерируемых фотодиодом. Фотодиоды генериру­ют шум на низких и высоких частотах. Высокочастотный шум появляется вследствие теплового воздействия на базу фотодиода. Шумы снижают чувствительность фотодио­дов, не позволяя выделить полезный сигнал из спектра хаотичных колебаний. Схема включения фотодиода показана на рис. 6.20.

Рис. 6.20

К фо­тодиоду напряжение приложено в обратной полярности. Включение фотодиода может быть вентильным или фотодиодным. В случае вентильного включения необ­ходимо использовать источник питания, а в случае фо­тодиодного включения на электродах фотодиода будет вырабатываться напряжение, благодаря чему источник питания не потребуется.

Фотодиоды в системах волоконно-оптических линий связи должны обладать как можно большим быстро­действием, чтобы суметь за минимальный промежуток времени преобразовать максимум информации, для чего часто выполняют структуры, фотодиодов типа p-i-n или p-n-i-n и стараются предельно снизить емкость перехода. Свет в p-i-n фотодиодах падает на n область с толщиной пленки порядка 0,5 мкм, под которой находится область собственного полупроводника толщиной 2,5 мкм, под кото­рой находится p область толщиной в 0,1 мм. В фотодиодах структуры p-i-n между p и n областями в собственном полупроводнике создается высокая напряженность поля от 10⁴ до 10⁵ В/см, которая увеличивает скорость движения носителей заряда. Так как скорость носителей заряда в области собственного полупроводника велика, то и быстродействие такого фотодиода высокое. Так как постоянная времени p-i-n фотодиода может достигать от 10^-9 до 10^-10, максимальная рабочая частота достигает 10 гГц. В фотодиодах структуры n-p-i-n высокое быстродей­ствие обеспечивается так же, как и в фотодиодах n-p-i-n структуры, за счет применения слоя собственного полупроводника. Однако в отличие от фотодиодов p-i-n структуры в n-p-i-n структуре при облучении кристалла возникает лавинное увеличение числа носителей зарядов, зависящее от температуры и позволяющее дополнитель­но увеличить быстродействие. Зависимость фототока от температуры полупроводникового кристалла является основным недостатком лавинных n-p-i-n фотодиодов.

К достоинствам фотодиодов можно отнести малые габариты и массу, низкое напряжение питания и малый потребляемый ток, длительный срок наработки на отказ. Фотодиоды применяют в фотоэкспонометрах, фотометрии, автоматических системах включения уличного освещения ночью и выключения днем, автоматических системах производства продукции на заводах, устройствах ввода-вывода компьютеров, в качестве приемников излучения в волоконно-оптических линях связи, преобразующих свет в электрическое напряжение, в качестве основных элементов солнечных батарей.