Фотодиоды

Фотодиоды – это полупроводниковые приборы p-n-типа, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте. При освещении в p-n-переходе возникает фотоэлектрический эффект. В результате неравновесной концентрации носителей зарядов в p- и n-областях появляются электроны и дырки. Электронно-дырочные пары движутся к p-n-переходу, где разделяются и под действием контактной разности потенциалов неосновные носители зарядов проходят через p-n-переход, образуя фототок (вентильный режим фотодиода - фотодиод работает в режиме фотогенератора, рис. б).

Если к n-области подсоединить плюс источника, а к p-области – мину, то и при отсутствии освещения ЭДП через фотодиод будет проходить малый темновой ток. Обратный ток возрастает при освещении. Это так назывемый фотодиодный режим, схема включения показана на рис. в.

В основном фотодиоды характеризуются напряжением питания U_п (порядка 10..30 В), темновым током I_т (от 1 до 25 мкА).

П ри отсутствии освещенности через фотодиод протекает темновой ток I_т, а при освещении - световой ток I_c. Большинство фотодиодов имеют герметичные металлические корпуса с окном-отверстием, закрытым стеклом. Чтобы обеспечить наилучшее попадание света на ЭДП, фотодиоды снабжают миниатюрными собирательными линзами, вмонтированными в их корпус.

Фотодиоды предназначены для работы в видимой области спектра (3..7,5)10^-7 м, а также в области инфракрасных волн.

Германиевые фотодиоды широко применяют в качестве индикаторов инфракрасного излучения; кремниевые – в качестве фотоэлементов для преобразования световой энергии в электрическую, а селеновые – для фотоэкспонометров и светотехнических измерений, так как их спектральная характеристика близка к спектральной характеристике человеческого глаза.

Кроме указанных выше фотодиоды характеризуется также следующими параметрами:

- темновым R_т и световым R_с сопротивлениями;

- кратностью изменения сопротивления при освещении R_с/R_т

- удельной чувствительностью K₀=I_ф/(ФU) – она характеризует фототок I_ф, проходящий через фотодиод при освещении его световым потоком Ф=1 миллилюмен при напряжении 1 В.

- спектральной чувствительностью.

Характеристики фотодиодов представленны на рис г и д.

Ф₀, Ф₁, Ф₂ и U₀, U₁, U₂ – световые потоки и напряжения на фотодиоде.

Режим фотогенератора можно представить взаимозависимостью между током и напряжением во втором квадранте (рис. г), а фотодиодный режим в третьем. Полоса пропускания быстродействующих кремниевых фотодиодов лежит в пределах 10⁸…10⁹ Гц.

Лавинный фотодиод – это фотодиод с лавинным умножением тока. Когда обратное напряжение приближается к напряжению пробоя, электронно-дырочные пáры, образованные поглощёнными фотонами, приобретают энергию, достаточную для возникновения новых электронно-дырочных пар. В результате ударной ионизации увеличивается число носителей и соответственно возрастает коэффициент усиления фототока (в 100 и более раз).

Лавинные фотодиоды имеют малый уровень шумов и соответственно низкий порог чувствительности. По этому их используют для детектирования слабых оптических сигналов (оптические линии связи, лазерная индикация).