Вольт-амперна характеристика

Сім’я вольт-амперних характеристик (ВАХ) кремнієвого діода, що має струмовий відгук 0,5 A/Вт, наведена на рисунку 2.6. Якщо на діод подана напруга зворотного зміщення, то кажуть, що він працює у фотодіодному (фотовентильному) режимі. У цьому випадку вихідний струм пропорційний оптичній потужності. Коли зворотне зміщення відсутнє, то, прийнята оптична потужність призводить до виникнення на електродах діода прямої напруги зміщення. Це фотогальванічний режим, що є основним для сонячних елементів, які виробляють електричну напругу при опроміненні світлом. Фотодіоди у ВОСП завжди працюють у фотодіодному режимі, тобто із зворотним зміщенням.

Н авіть при відсутності оптичної потужності через зворотнозміщений діод тече малий зворотний струм. Його називають темновим струмом. Він позначений символом I_т на рисунку 2.6. Темновий струм викликаний тепловою генерацією вільних носіїв заряду в діоді. Він є у всіх діодах, де традиційно називається зворотним струмом витікання. Максимальне його значення, що спостерігається при великих негативних напругах, є зворотним струмом насичення. Темновий струм має теплову природу і сильно залежить від температури, практично її подвоюючи своє значення на кожні 10^оC її збільшення. Значення темнових струмів лежать в межах від часток наноампера до декількох сотень наноампер. Кремнієві детектори мають найнижчі темнові струми. У діодах з InGaAs вони трохи більші, а германієві діоди мають найбільші темнові струми. У цьому одна з головних причин, чому кремнієвим фотодіодам віддають перевагу у порівнянні з германієвими в області довжин хвиль, де їхні струмові відгуки однакові.

Очевидно, що слабкий оптичний сигнал не може бути виявлений детектором, коли малий фотострум, що генерується сигналом, маскується великим темновим струмом.

Швидкодія

Швидкодія фотодіода обмежена часом прольоту вільних носіїв через збіднений шар. У p–i–n-діоді довжина збідненої області практично дорівнює ширині шару власної провідності (i-шару). Швидкість вільних носіїв заряду прямо пропорційна величині напруги зворотного зміщення, тому більш висока напруга зменшує час прольоту. Наприклад, при ширині збідненої області 50 мкм і типової швидкості носіїв 510⁴ м/с час прольоту складає 5010^-6/510⁴ = 1 нс. Це значення наближено можна вважати часом наростання фотодіода. Ємність фотодіода також обмежує швидкість відгуку. Це можна пояснити за допомогою еквівалентної схеми діода, наведеної на рисунку 2.7. У цій схемі ємність конденсатора C_д дорівнює, в основному, ємності переходу, утвореного напівпровіднико-вими p- і n-шарами (які є обкладинками), розділеними ізолюючою областю з власною провідністю. У цю ємність також входить ємність корпуса фотодіода. Аналіз схеми показує, що час наростання R_нC_д-кола за рівнями 0…63 % (називаний постійною часу RC-кола) і час наростання за рівнями 10…90 %, зв'язані співвідношенням

t_н = 2,19R_нC_д.. (2.10)

Відповідна ширина смуги за рівнем -3 дБ може бути розрахована безпосередньо з еквівалентної схеми, або знайдена зі співвідношення (2.2)

f_-3дБ =1,2/R_нC_д.. (2.11)

Фотодіоди, розроблені для швидкодіючих систем, мають ємності порядку декількох пікофарад або менше. Щоб забезпечити низьку ємність, площа світлочутливої поверхні діода повинна бути малою. Однак для ефективної передачі світла діаметр цієї площадки не може бути менше діаметра серцевини оптичного волокна, що приєднується до фотодіода.

У залежності від обставин швидкодія ФД може бути обмежена або часом прольоту, або часом наростання схеми. Час наростання, обмежений часом прольоту, звичайно лежить в інтервалі 0,5…10 нс для швидкодіючих p–i–n-діодів. Отримане значення часу наростання менше 100 пс. Вплив величини резистора навантаження на параметри найпростішого приймального пристрою (ПрП) підсумовані в таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 – Вплив величини резистора навантаження фотодіода R_н на параметри ПрП

Співвідношення	Вплив
u = iPRн	При збільшенні Rн зростає вихідна напруга
Pmax =Uзм/iRн	Зменшення Rн збільшує динамічний діапазон
f-3дБ = (2RнСд)^–1	Зменшення Rн збільшує ширину смуги
= 4kf/Rн	Збільшення Rн зменшує струм теплового шуму
Примітка: u – вихідна напруга; i – струмовий відгук; Р – оптична потужність; Rн – опір навантаження; Uзм – напруга зміщення; Сд – ємність фотодіода; – средньоквадратичне значення струму теплового шуму; k – стала Больцмана; T – абсолютна температура; f – ширина смуги пропускання ПрП.