Вопрос 7

ФОТОДИОД

Ф отодиод — это фотоприемник, принцип действия которого основан на фото­гальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет струк­туру полупроводникового диода.

Р исунок 2.18 - Устройство фотодиода	Конструктивно его выполняют так, чтобы ря-переход был открыт для света при сохранении герметичности корпуса. Его структура изображена на рисунке 7.18. работают при обратном напряжении, по­этому в рn-переходе создается тормозящее поле для не­основных носителей. При воздействии светового пото­ка неосновные носители образуют фототок. Фотодиоды создают на основе германия и кремния. Таким образом, ток фотодиода обусловлен дрейфом неосновных носи­телей заряда. Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость I = f(U) при Ф = const. При отсутствии освещения в цепи фотодиода протекает незначительный темновой ток. У германиевых фотодиодов он составля­ет 10-30 мкА, у кремниевых — 2-3 мкА. При постоянном световом потоке (Ф) и изменении напряжения Uобр фототок почти не изме­нился (рисунок 2.19).
Рисунок 2.19 - Вольт - амперная характеристика фотодиода		Р исунок 2.20 - Световая характеристика фотодиода

При изменении светового потока ток изменяется на величину ΔI. Из харак­теристики видно, что сопротивление диода Rд = ΔU_обр/ΔI' при Ф = const очень велико, так как большим изменениям ΔU_обр соответствует малое приращение тока ΔI'. Сопротивление R_д соответствует единицам МОм.

При подаче напряжения ΔU_обр выше допустимого у фотодиода наступает теп­ловой пробой и диод выходит из строя.

Световая характеристика — это зависимость тока в диоде от изменения светово­го потока при постоянном напряжении источника, то есть I=f(Ф) при ΔU_обр = const.

Световая характеристика изображена на рисунке 2.20. Как мы видим, она линейна, что является большим достоинством фотодиода, так как это позволяет произво­дить пропорциональное преобразование светового потока в электрический ток без искажения (линейность в определенных пределах, то есть при дальнейшем увеличении светового потока (Ф) увеличивается скорость рекомбинации, и не все носители переходят рn-переход).

Фотодиоды характеризуются следующими параметрами:

• I_д — ток фотодиода;

• I_т — темновой ток;

• R_д — сопротивление диода;

• К_ф — чувствительность фотодиода (бывает интегральная и спектральная). К_ф = ΔI/ΔФ — ее можно определить по световой характеристике фотодиода.Спектральная характеристика фотодиода зависит от материала, из которого он изготовлен. Эти приборы, так же как и фоторезисторы, инерционны из-за емкости ри-перехода. На их работу оказывает влияние изменение температуры.

В светодиодах преобразование электрической энергии в видимый свет — опти­ческое излучение — происходит при обычных температурах за счет свойств рп-перехода. В основе явления свечения светодиода лежит явление люминесценции.

Процесс люминесценции включает в себя два этапа.

На первом этапе проис­ходит генерация подвижных носителей заряда, накопление энергии.

На втором этапе возникает рекомбинация, в результате которой в окружаю­щее пространство излучается энергия, затраченная на генерацию.Для того чтобы излучаемая энергия имела спектральный состав в области видимого света, требуется подобрать соответствующий материал излучающих структур.Для получения излучения в области видимого света используют материалы с большой шириной запрещенной зоны: фосфид галлия, карбид кремния, арсе-нид галлия и др.В светодиодах применяют инжекционную люминесценцию, при которой рn-переход находится под прямым напряжением U_np, в результате чего происхо­дит инжекция основных носителей из одной области в другую.В светодиодах излучающей является только одна область, поэтому стремятся получить максимальную инжекцию в эту область. Если излучающей является р-область, то концентрация примеси в n -области должна быть гораздо выше, чем в излучающей области, в данном случае р-области. В р-области происходит ре­комбинация носителей с выделением в окружающее пространство видимого све­та (электромагнитного излучения).

Рисунок 2.21 - Конструкция плоскостного светодиода