9.3. Фотодиод.

Фотодиод – полупроводниковый прибор с внутренним фотоэффектом имеющий один p-n переход и два вывода. Может работать в двух режимах: генераторном (без внешнего источника питания) и режиме фотопреобразователя (с внешним источником энергии). Внешний вид и условное графическое обозначение фотодиода представлены на рис. 9.3.1. Структура представлена на рис. 9.3.2. Вольтамперная характеристика фотодиода представлена на рис. 9.3.3. Генераторному режиму соответствует участок а-б вольтамперной характеристики, режиму фотопреобразователя – участок а-в, рис. 9.3.3, а.

а) б)

Рисунок 9.3.1. Фотодиод: а) – внешний вид, б) – условное графическое обозначение.

Рисунок 9.3.2. Структура и схема включения фотодиода.

Прибор состоит из двух пластин полупроводника с разной проводимостью. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС E_ф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность. Режим фотогенератора (без внешнего источника) показан на рис. 9.3.3,б. Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м², соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 9.3.3, а). Он соответствует подаче на фотодиод запирающего напряжения (участок а-в рис. 9.3.3,а). В нем используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 9.3.3,в).

Рисунок 9.3.2. а) – вольтамперная характеристика фотодиода; б) - вольтамперные характеристики фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, при различных значениях светового потока, в) - вольтамперные характеристики фотодиода, работающего в режиме фотопреобразователя, при различных значениях светового потока.

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷–10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).