2. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которо­го управляется световым потоком.

Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на

основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупровод­ников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Они являются датчиками электрического сигнала, поступающего на вход усилителя при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кино­фильма, т. е. преобразуют световые сигналы в электрические. Условное графическое обозначение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 3.19, в.

Ф ю

Рис. 3.19. Фотодиод: а — устрой­ство; б — внешний вид; в — услов- в ное графическое обозначение

Основные

Генерация пар ... носителей ///Ф

- и

Неоснов-'т ные носи- ■ф те ли

'обр

Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме

Фотодиоды получили широкое распространение в разнооб­разной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в системах автоматики и контроля.

Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный — с внешним источником питания, включенным в обратном направ­лении; при этом используется фоторезистивный эффект, в резуль­тате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальванический — без внешнего источника питания; при этом используется фотогальванический эффект, в результате чего световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фо- то-э.д.с.

Работа фотодиода в фотодиодном режиме. На рис. 3.20 при­ведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и

иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света.

При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (ф = О, U — 0) на р-п переходе, как и в обычном полупровод­никовом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки «-{-» и «—» без кружочков).

При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф =0; U — U_Dб_Р) через затемненный фото­диод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являю­щийся темновым током /_т.

Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область п-типа, в ней генерируются пары электрон — дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в «-области увеличивается, и поток их через р-п переход возраста­ет. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /_ф и возрастает с увеличением свето­вого потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воз­действием светового потока увеличивается обратный ток р-п пе­рехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.

Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух вели­чин — приложенного извне напряжения U и светового потока Ф. Поэтому основными являются два вида характеристик — вольт - амперные и световые. Схема для снятия характеристик фото­диода (рис. 3.21, а) содержит источник питания £, потенциометр и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник све­тового потока — лампа накаливания J1 и диафрагма Д с регули­руемым диаметром отверстия для изменения светового потока.

Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока фо­тодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 3.21, б):

/_ф = f (i/) при Ф = const.

Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода (при Ф = 0) является характеристикой темнового тока /_т = f (U) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. При воздействии светового потока ток увеличивается; обратная ветвь сдвигается по оси обратного тока в сторону его увеличения тем сильнее, чем больше световой поток. Если строить вольт-амперные характеристики, не учиты­вая знаков тока и напряжения обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, то они примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характе­ристики располагаются выше.

Поскольку количество неосновных носителей заряда в л-об- ласти, проходящих чер.ез р-п переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного

напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое уве­личение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увели­чение обратного напряжения приводит к расширению области р~п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой л-области. При этом меньшее количество дырок успевает реком­бинировать с электронами 'по пути движения к р-п переходу, а большее число их принимает участие в создании тока через фото­диод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может при­вести к пробою р~п перехода.

*4? —(0)-

ф\\

и©

|ф

Рис. 3.21. Схема для снятия характеристик фотодиода (а), его вольт-амперные (б), световые (в) и спектральные (г) характеристики: / — кремниевых; 2 — германиевых

Световая характеристика — это зависимость фототока от све­тового потока при постоянном напряжении источника питания:

/_ф = ДФ) при U = const.

Световые характеристики в фотодиодном режиме практически линейны (рис. 3.21, в). Если учитывать темновой ток, протекаю­щий при Ф = О, то световые характеристики выходят не из на­чала координат. Однако темновой ток, особенно кремниевых фотодиодов, настолько мал по сравнению с фототоком, что на световых характеристиках им можно пренебречь. Характеристи­

ки, снятые при большей величине напряжения, идут несколько круче, так как ток немного возрастает, как было показано на вольт-амперных характеристиках.

Спектральные характеристики фотодиодов показывают зави­симость спектральной чувствительности от длины волны излуче­ния. На рис. 3.21, г приведены спектральные характеристики кремниевого и германиевого фотодиодов. По оси ординат отложе­на относительная спектральная чувствительность, т. е. отношение Sx/Sx _макс, %. Из характеристик видно, что кремниевый фотодиод обладает более избирательной чувствительностью, максимум ко­торой приходится на красные и инфракрасные лучи с длиной волны 0,7—0,85 мкм. Германиевый фотодиод чувствителен к бо­лее широкой области спектра — от 0,6 до 1,8 мкм. В зависимости от основного материала фотодиода и введенных в него примесей можно получить спектральные характеристики, перекрывающие всю область видимого спектра (от 0,38 до 0,76 мкм) и инфра­красную область излучения.

К основным параметрам фотодиода в фотодиодном режиме относят интегральную чувствительность, дифференциальное со­противление, начальное статическое сопротивление, максимально допустимое и рабочее напряжения, граничную частоту.

Чувствительность фотодиода S показывает, какой ток прихо­дится на единицу светового потока. Поскольку ток фотодиода, а следовательно, и его чувствительность зависят в какой-то сте­пени от приложенного напряжения, то чувствительность опреде­ляют при напряжении U = 1 В и называют удельной интегральной чувствительностью. Она может- быть определена по вольт-ампер- ным характеристикам или по световой характеристике, снятой при напряжении 1 В, по формуле:

S = при U — 1 В.

Кремниевые фотодиоды имеют чувствительность 3—7 мА/лм, а германиевые— 10—20 мА/лм.

Темновой ток /_т зависит от приложенного напряжения. Поэ­тому как параметр его определяют при U — 1 В. Темновой ток можно определить по световой характеристике, снятой при U = = 1 В в точке, где Ф = 0 (см. рис. 3.21, в), или по вольт-ампер- ной характеристике для темнового тока (Ф = 0) при U = 1 В (см. рис. 3.21, б; точка А).

Темновой ток германиевых фотодиодов составляет 15— 30 мкА, кремниевых — гораздо меньше: до 1 мкА.

Дифференциальное сопротивление г_диф — это сопротивление затемненного фотодиода изменению тока. Его определяют по вольт-амперной характеристике темнового тока как отношение приращения приложенного напряжения к соответствующему при­ращению темнового тока:

Приращения берут для двух близлежащих точек характерис­тики (см. рис. 3.21, б; точки Л и £).

Начальное статическое сопротивление /?_ст — это сопротивле­ние затемненного фотодиода при постоянном напряжении, рав­ном 1 В.

Его определяют как напряжение, деленное на темновой ток:

т. е. начальное статическое сопротивление вычисляется как ве­личина, обратная темновому току. Например, для кремниевого фотодиода при /_т = 1 мкА R_CT — 1 МОм.

Максимально допустимым является наибольшее напряжение, при котором не происходит пробой фотодиода. Его величина за­висит от температуры. Кремниевые фотодиоды могут работать в большем диапазоне температур окружающей среды, чем гер­маниевые.

Рабочее напряжение — это напряжение, выбранное с запасом таким образом, чтобы фотодиод работал надежно длительное время. Для кремниевых и германиевых фотодиодов оно состав­ляет 10—20 В.

Граничная частота характеризует частотные свойства фото­диода, как и частотная характеристика; /_гр — это та частота из­менения интенсивности светового потока, при которой интеграль­ная чувствительность уменьшается в -\/2 раз. Для кремниевых фотодиодов, работающих в фотодиодном режиме, граничная час­тота— порядка 10⁷ герц, т. е. их быстродействие велико и они практически безынерционны. Это способствует их успешному использованию для воспроизведения звука в кинематографии, а также в других областях.

Работа фотодиода в фотогальваническом режиме. В этом ре­жиме фотодиод работает без внешнего источника напряжения. В цепь фотодиода в этом случае включают только сопротивление нагрузки R_H (рис. 3.22, а). Рассмотрим сначала процессы, проис­ходящие в фотодиоде при разомкнутой внешней цепи (рис.

22. б). При отсутствии светового потока на электронно-дыроч­ном переходе создается потенциальный барьер. Под действием светового потока, падающего на область n-типа, в этой области генерируются пары электрон — дырка. Двигаясь хаотически во всех направлениях, часть образовавшихся носителей заряда под­ходит к р-п переходу, где дырки втягиваются в p-область внут­

ренним электрическим полем, созданным контактной разностью потенциалов, а электроны отталкиваются этим полем и остаются в и-области. Таким образом, в p-области происходит накопление дырок, заряжающих ее положительно, а в п-области — электро­нов, заряжающих ее отрицательно. Вследствие этого при разомк­нутой цепи между выводами от р- и n-областей создается разность потенциалов, называемая фотоэлектродвижущей силой £_ф. Чем больше световой поток, тем больше фото-э.д.с. Однако прямой пропорциональности между £_ф и Ф нет.

У/

Рис. 3.22. Работа фотодиода в фотогальваническом режиме (а, б) и его световые характеристики в этом режиме (в)

•D

Е_ф R

_гО , I,

При подключении нагрузки в цепи фотодиода под действием фото-э.д.с. протекает ток /ф, создающий падение напряжения на нагрузке = /_ф„. Таким образом фотодиод без внешнего ис­точника питания (непосредственно) преобразует световую энер­гию в электрическую.

Основные характеристики фотодиода в фотогальваническом режиме — это световые характеристики, которые представляют собой два вида зависимостей (рис. 3.22, в):

1. зависимость фото-э.д.с. от светового потока

£_Ф = /.(<*>);

2. зависимость фототока от светового потока при постоянной величине сопротивления нагрузки

/ф — h(Ф) при /?„ = const.

Первая зависимость выражается нелинейной характеристи­

кой: фото-э.д.с. растет с увеличением светового потока сначала быстро, а затем все медленнее (кривая /).

Зависимость тока /_ф от светового потока при разных значе­ниях сопротивления R_H представляет собой семейство световых характеристик (кривые 2), из которых световая характеристика при коротком замыкании нагрузки (/?„ = 0) строго линейна, а с увеличением сопротивления нагрузки характеристики все более искривляются; при больших величинах сопротивления нагрузки характеристики имеют пологую часть, отражающую область на­сыщения при больших значениях светового потока.

Нелинейность световых характеристик является недостатком фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме при больших сопротивлениях нагрузки. В случае применения фото­диода в этом режиме для воспроизведения звука с фотографи­ческих фонограмм используют небольшие световые потоки, а сопротивлением нагрузки фотодиода является малое входное сопротивление транзисторного усилителя.

Из-за нелинейности световых характеристик чувствительность фотодиода в фотогальваническом режиме определяют по прира­щениям тока и светового потока:

5_ДИф = при Я_н = const.

При малых световых потоках чувствительность больше; с уве­личением светового потока она уменьшается. Чувствительность также зависит от сопротивления нагрузки: наибольшая чувстви­тельность фотодиода получается при коротком замыкании наг грузки. В этом случае чувствительность остается одинаковой при различной величине светового потока и определяется для любой точки характеристики как отношение /_ф/Ф. С ростом со­противления нагрузки чувствительность уменьшается.

Внутреннее сопротивление фотодиода в фотогальваническом режиме значительно меньше, чем в фотодиодном; напряжение, создаваемое фотодиодом на нагрузке, при одинаковом световом потоке в фотогальваническом режиме, тоже значительно меньше, чем в фотодиодном. Максимальная чувствительность, определяе­мая как ток, который можно получить на единицу светового потока, в обоих режимах практически одинакова.

В кинематографии фотодиоды применяются в транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок как датчики сигнала с фотографических фонограмм: в передвижной аппара­туре — в фотогальваническом режиме, а в стационарной — в фотодиодном. Их преимуществами перед фотоумножителями, используемыми в ламповой звуковоспроизводящей аппаратуре, являются малые габариты и масса, большие чувствительность и механическая прочность, долговечность и надежность, низкие напряжения питания в фотодиодном режиме и возможность ис­пользовать их без внешнего источника питания в фотогальвани- ческом режиме.

В микроэлектронном исполнении фотодиоды используют в оп­тоэлектронике.