Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ФОТОДИОДЫ

Фотодиоды представляют собой пластинку полупроводника, внут­ри которой имеются

Рис.7 Схемы фотодиодов: а- направление светового потока

паралельно плоскости p-n-перехода; б- направление светового

потока и плоскость p-n-перехода взаимно перпендикулярны:

1-вывод n-области, 2-вывод p-области.

области электронной (n-область) и дырочной (р-область) проводимости, разделенные электронно-дырочным переходом (рис.7).

Р-n-переход как фотоприемник применяется в двух режимах - фотодиодном, когда на р-n-переход подается обратное смещение, и фотогальваническом режиме, то есть в режиме генерации фото ЭДС. При этом внешний источник питания отсутствует (рис.8).

Рис.8 Схема включения фотодиода: а- фотогальванический режим;

б- фотодиодный режим.

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, происходит генерация электронно-дырочных пар. Электрическое поле перехода разделяет неравновесные носители заряда. По мере возрастания этого поля возрастает и обратный поток носителей. Наступает динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся в единицу времени через запирающий слой, равно числу носителей, перемещающихся в обратном направлении. При этом между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов Е. Это и есть фото ЭДС. При подключении к выводам фотодиода сопротивления нагрузки Rн в ее цепи потечет ток I, величина которого определяется разностью встречных потоков носителей через р-n-переход. Аналитическое выражение для вольтамперной характеристики фотогальванического приемника при его освещении имеет вид

где I - ток во внешней цепи; Iнас - ток насыщения, протекающий через неосвещенный р-n-переход, то есть темновой ток; е - заряд электрона; К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Iф - фототок, созданный возбужденными светом носителями.

В фотодиодном режиме ток через переход определяется неосновными носителями заряда, и при |u| >>RhI, |u|» КТ/е уравнения семейства вольт-амперных характеристик имеют вид

На рис.9,а представлены вольт-амперные характеристики фотодиодов при различных световых потоках Ф. Здесь направление фототока принято за положительное. При изменении светового потока Ф характеристики смещаются параллельно оси абсцисс на величину, пропорциональную Ф. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода эквидистантно. Нижняя характеристика соответствует темновому току фотодиода, т.е. обратному току через неосвещенный р-n-переход: I=Iнас

Рис.9 Вольт-амперные характеристики

Фотоприемников: а- фотодиодном режиме;

б- в фотогальваническом режиме.

Фотодиоды используются при подаче напряжения в запирающем направлении: при включении прямого смещения в цепи фотодиода течет прямой ток, слабо зависящий от освещенности и опасный из-за большой величины, могущей вызвать перегрев прибора. Семейство вольт-амперных характеристик в фотогальваническом режиме при различных световых потоках Ф приведено на рис.9,б. При изменении светового потока точки вольт-амперных характеристик по оси ординат (режим короткого замыкания, Rн = 0) смещаются пропорционально световому потоку. Смещение по оси абсцисс в режиме холостого хода (Rн = ∞) пропорционально логарифму светового потока. Нагрузочные прямые, проведенные из начала координат, пересекают характеристику в точках, абсциссы которых соответствуют падению напряжения на нагрузочном сопротивлении RнI, а ординаты -току во внешней цепи I.

Чувствительность фотогальванических элементов (спектральная или интегральная) измеряется в режиме короткого замыкания, т.е. когда фототок связан со световым потоком линейной зависимостью:

Чувствительность фотодиода определяется как отношение фототока при небольшом обратном напряжении к вызвавшему его световому потоку:

где It - темновой ток. Из рис.9,а видно, что вольт-амперные характеристики фотодиода смещаются при освещении параллельно оси абсцисс. Фототок фотодиода очень слабо зависит от величины приложенного напряжения и равен по величине току короткого замыкания фотоэлемента в фотогальваническом режиме. Таким образом, фотоприемник в фотодиодном и фотогальваническом режимах обладает одинаковой чувствительностью по току. Вольтовая чувствительность этих приборов, т.е. отношение падения напряжения на сопротивлении нагрузки к световому потоку в фотодиодном режиме намного больше, чем в фотогальваническом:

В фотогальваническом режиме максимальный фототок течет в цепи только в режиме короткого замыкания. Построение нагрузочной прямой на вольт-амперной характеристике фотоприемника (рис.9,б) показывает, что при наличии во внешней цепи небольшого сопротивления фототок заметно снижается. Сигнал Uc = RнI, снимаемый с нагрузки, не превышает напряжения холостого тока, равного фото ЭДС, величина которой ограничивается шириной запрещенной зоны полупроводника и составляет десятые доли вольта.

В фотодиодном режиме величина фототока фотоприемника практически не изменяется при включении высокоомной нагрузки (рис.9,а). Следовательно, сигнал, снимаемый с нагрузочного сопротивления, может достигать большей величины, близкой к значению приложенного напряжения. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотоприемника в фотодиодном режиме, определяемое по наклону вольт-амперной характеристики, очень велико (10⁶... 10⁷ Ом).

Энергетические характеристики фотоприемников в фотодиодном режиме линейны в широких пределах. В фотогальваническом режиме такая закономерность отсутствует (рис.10).

Фотодиоды являются быстродействующими фотоприемниками, инер­ционность которых, в отличие от инерционности фоторезисторов, не зависит от потока излучения, но изменяется в зависимости от режи­ма работы и конструкции прибора.

Процесс формирования сигнала характеризуется тремя основными). 1)постоянными времени: 1) временем жизни t неосновных носителей заряда; 2) временем их пролета t от места генерации до разделения, 3) временем зарядки и разрядки емкости перехода, представляющей собой узкую область с повышенным сопротивлением между двумя низкоомными n- и р-областями. Инерционность фотоприемника определяется наибольшим временным параметром. Фотодиодный режим работы оказывается менее инерционным и обладает лучшими частотными характеристиками, чем фотогальванический (рис.11).

Рис.10 Энергетические характеристики фотоприемников.1,2- фотодиодный режим, ;3-фотогальванический режим.

Рис.11 Частотные характеристики кремневого фотоприемника

дя двух фотодиодных и фотогальванического режимов.

В фотогальваническом режиме граничные частоты кремниевых фотоприемников составляют 1... 2 МГц, в фотодиодном - свыше 50 МГц при запирающем напряжении 100 В. В свою очередь, фотогальванический режим обладает двумя важными преимуществами перед фотодиодным: отсутствие источника питания и чрезвычайно низкий уровень собственных шумов. Меньшая величина шумов в фотогальваническом режиме обусловлена тем, что в этом режиме отсутствует темновой ток, в то время как в фотодиодном режиме этот ток имеет заметную величину и шумы определяются его флуктуациями.

На основании вышеизложенного видно, что принципиального различия между фотогальваническими элементами и фотодиодами нет: любой фотодиод можно использовать как в фотодиодном, так и в фотогальваническом режимах. Однако не всякий фотогальванический эле­мент допускает включение в фотодиодном режиме.

В настоящее время основными материалами для изготовления фотодиодов являются германий и кремний. По конструкции и особенностям работы различают несколько основных типов фотодиодов: сплавные, диффузионные, p-i-n-фотодиоды, лавинные фотодиоды, диоды Шотки, инфекционные фотодиоды.