13 Характеристики и параметры фотодиода

Параметры:

• чувствительность

отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

;   — токовая чувствительность по световому потоку

;   — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

зависимость выходного напряжения от входного тока. 

• спектральные характеристики

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным (рис.4.3). Вольтамперные характеристики I=f(U) при Ф=const для фотодиодного режима (рис.4.4) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I₀, который называют темновым. Под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристики располагаются выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (участки резкого увеличения тока на характеристике). Энергетические характеристики фотодиода I=f(Ф) при U=const линейны и мало зависят от напряжения (рис.4.5).

Токовая чувствительность фотодиода обычно составляет десятки мА на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен МГц. А у фотодиодов со структурой p-i-n граничные частоты повышаются до десятков ГГц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10-30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни мкА. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее чувствительных к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляется по планарной технологии (рис.4.6).

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p-n-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС в фотовентильном режиме.