3.4.9. Фотодиоды
Фотодиод – это фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним
р-n переходом имеющий два вывода. Условное графическое изображение фотодиода показано на рис. 3.18.
Рис. 3.18
Фотодиод имеет структуру аналогичную структуре обычного полупроводникового диода, которая помещается в металлическом корпусе с окном, прозрачным для светового потока. Принцип действия фотодиодов основан на возникновении в них явления внутреннего фотоэффекта при облучении р-n перехода потоком света Ф. Фотодиоды могут работать в двух режимах: в вентильном, когда он работает без источника питания и в его внешнюю цепь включена нагрузка Rн (рис. 3.19а) и фотодиодном, когда в его внешнюю цепь включается источник питания и нагрузка (рис. 3.19б).
V
Рис. 3.19
При работе в вентильном режиме фотодиод преобразует световую энергию в электрическую, генерируя фото-ЭДС под действием света. Действительно, под действием потока света, падающего на р-n переход возникает генерация пар носителей – электронов и дырок. Эти заряды под действием диффузионного поля перехода перебрасываются: дырки в р-область, а электроны - в область n, в результате чего область р заряжается положительно, а область n – отрицательно. Таким образом, между полупроводниками типа р и n возникает разность потенциалов, которая и носит название фото-ЭДС. Чем больше освещённость фотодиода, тем больше фото-ЭДС. При замыкании внешней цепи фотодиода, под действием фото-ЭДС через нагрузку будет протекать ток I ф называемый фототоком. В этом режиме фотодиоды применяются в схемах чувствительных индикаторов излучения и как элемент солнечной батареи. Солнечные батареи из таких элементов могут отдавать до 100 кВт мощности с квадратного метра освещённой поверхности, при напряжении около 0,3 … 1 В на элемент.
В фотодиодном режиме фотодиод включается в цепь в обратном направлении. При отсутствии освещенности через р-n переход (диод) протекает небольшой обратный ток, называемый темновым током. При освещении р-n перехода увеличивается генерация пар носителей, в результате чего фототок увеличивается
I ф = I фо + КФ.
где Ф - световой поток в люменах;
-
интегральная
чувствительность
фотодиода в мА/лм.
Таким образом, в этом режиме фотодиод используется как фоторезистор.
Основными характеристиками фотодиодов являются вольт-амперная и спектральная характеристики.
Рис. 3.20
Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость фототока от приложенного к фотодиоду напряжения при постоянном значении светового потока I ф = f (U) | Ф = const. (рис. 3.20) При отсутствии светового потока (Ф=0), характеристика фотодиода является обычной характеристикой полупроводникового диода. При отключении внешнего источника U=0 и освещении фотодиода в цепи течет ток, обусловленный фото-ЭДС. При увеличении обратного напряжения ток в цепи практически не меняется. При увеличении прямого напряжения , действующего встречно фото-ЭДС, обратный ток уменьшается. Фототок зависит от длины волны колебаний, падающего на диод светового облучения. Графическое изображение этой зависимости называется спектральной характеристикой (рис. 3.21). Параметрами фотодиодов являются: темновой ток I фо, интегральная чувствительность и рабочее напряжение .
Рис. 3.21