Полупроводниковые приемники излучения. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения

Фотоприемники - это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии- оптического излучения в электрическую энергию Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. Д. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо согласовывать спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприемников. Работа фотоприемников основана на одном из трех видов фотоэлектрических явлений:

· внутреннем фотоэффекте изменении электропроводности вещества при его освещении,

· внешнем фотоэффекте - испускании веществом электронов под действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах),

· фотоэффекте в запирающем слое- возникновении ЭДС на границе двух материалов под действием света

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода Отличие состоит в том, что его p-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны (рис. 7.4) Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов

· без внешнего источника электрической энергии - вентильный, фотогенераторный или фотогальванический режим,

· с внешним источником электрической энергии - фотодиодный или фотопреобразовательный режим

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис 7.5. При отсутствии светового потока на границе p-n-перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока I_ДИФ и I_ДР, которые уравновешивают друг друга. При освещении p-n-перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т е за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p-n-перехода неосновные носители заряда n-области -дырки - переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области электроны - в n-область Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком I_Ф Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в p-области, а электронов - в n-области Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото ЭДС

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении. При отсутствии светового потока под действием обратного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратной ток , который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока При освещении фотодиода кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника Увеличивается поток неосновных носителей заряда через p-n-переход Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи обедненного слоя и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод. Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n-перехода уменьшается) Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n-перехода) от температуры. Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом ВАХ будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода. При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь ВАХ, прямые же ветви практически совпадают. В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV- в фотовентильном режиме, т. е. фотодиод становится источником электрической энергии Квадрант I - это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p-n-переход смещен в прямом направлении. Параметрами фотодиодов являются:

· Темновой ток I_T- начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10 20 мкА дли германиевых и 1 2 мкА для кремниевых диодов)

· Рабочее напряжение U_P- номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме U_P=10 30 В

· Интегральная чувствительность S_ИНТ, показывающая, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока

· Граничная частота f_ГР - частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в раз (f_ГР =10^6 10^12 Гц)

Рис. 1 Рис. 2