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