Вопрос 14 – Фотоприемники: фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры.

Фотодиоды

Фотодиод - это фоточувствительный прибор с одним электрическим переходом между двумя типами полупроводника (p-n -переход) или между полупроводником и металлом.

Под действием света, падающего на p-n -переход, в нем образуются электронно-дырочные пары. Неосновные носители, то есть дырки в n -области и электроны в p -области, диффундируют в область p-n -перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней объемный заряд. По мере перехода неосновных носителей из одной области в другую происходит их накопление в одной части рассматриваемой системы, в то время как в другой ее части накапливаются основные носители тока. Это накопление не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с возрастанием концентрации дырок в p- области и электронов в n -области возрастает создаваемое ими электрическое поле, препятствующее переходу не основных носителей через запирающий слой из одной области в другую. По мере возрастания этого поля возрастает и обратный поток носителей. В конце концов, наступает динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, равно числу тех же носителей перемещающихся в обратном направлении. При этом между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов Е - это фотоэдс. При подключении к выводам фотодиода нагрузки в ее цепи появляется ток, величина которого определяется разностью встречных потоков носителей через p-n -переход.

Структура перехода фотодиода показана на рис. 6.1, а, а семейство вольт-амперных характеристик - на рис. 6.1, б.

а б

Рис. 6.1. Структура фотодиода (а) и семейство его вольт-амперных характеристик (б)

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом диод смещается в обратном направлении, и фототок является функцией светового потока. Во втором режиме прибор работает в режиме генерации фотоэдс.

Вольтамперные характеристики фотодиода в квадранте 1 (см. рис. 6.1, б) соответствуют включению в прямом направлении. Квадрант 4 соответствует случаю работы диода в фотогальваническом режиме, то есть фотодиод работает как солнечный преобразователь, ток и напряжение при этом зависят от силы светового потока.

Основные характеристики фотодиодов – это:

- токовая чувствительность S_i (А/лм или А/Вт) - определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения.

(6.1)

или

(мА×Вт ^-1) (6.2)

где I _Ф - фототок; Ф - световой поток, Р - мощность излучения.

- спектральная характеристика. Показывает распределение чувствительности материала к длине волны падающего на него излучения. На рис. 6.2 показаны спектральные характеристики

- постоянные времени нарастания t _н и спада t _сп фототока, они определяют предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока, при которых еще не заметно уменьшение фотоотклика.

- быстродействие - определяется граничной частотой f _гр, соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от чувствительности на низкой частоте модуляции.

- номинальное рабочее напряжение U _ном, темновой ток I _тм и максимально допустимое обратное напряжение U _мах.

Рис. 6.2. Спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиодов