3_Разновидности полупроводниковых диодов АТСб-22-1

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n–переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n–переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

где I_Ф = S_iФ – фототок, S_i – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.

Вольт - амперные характеристики ФД приведены на рисунке а, а его схематичное изображение – на рисунке б.

Рисунок в файле Рисунки к лекции 1

Рис. Вольт – амперная характеристика фотодиода а) и его схематическое изображение б)

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е. I = - I_Ф = - S_iФ. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6 - 7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_ХХ отмеченное на рисунке а, лежит на горизонтальной оси. Для определения этого напряжения можно прологарифмировать ток фотодиода, откуда находим

Таким образом, при I = 0 область p заряжается положительно, а область n – отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото – э.д.с. Фото – э.д.с. равна напряжению U_XX и не может превышать контактной разности потенциалов j_К. Для кремниевых фотодиодов напряжения U_XX < 0,7 В.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выходного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности.

Реализовать режим короткого замыкания фотодиода можно только с помощью операционного усилителя, а практическая реализация режима холостого хода вообще затруднительна. В этом случае можно говорить о работе фотодиода на некоторую нагрузку. Схема включения фотодиода на нагрузку приведена на рисунке а, а нагрузочная характеристика – на рисунке б.

Рисунок в файле Рисунки к лекции 1

Рис. Схема включения фотодиода с нагрузкой а), построение нагрузочной характеристики б) и график напряжения на нагрузке в)

Для построения нагрузочной прямой можно воспользоваться методикой, приведенной при анализе режима туннельного диода. Для этого на горизонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е, а на вертикальной оси – ток короткого замыкания E/R_Н. Прямая, соединяющая эти точки, и является нагрузочной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с вольт - амперными характеристиками фотодиода позволяет определить напряжение на нагрузке R_H. Для этого нужно из точек пересечения восстановить перпендикуляры до пересечения с горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение напряжения на нагрузке.

Из приведенного на рисунке б построения следует, что при отсутствии освещения напряжение на фотодиоде будет максимальным U_ТЕМН. При увеличении освещения ток в фотодиоде возрастает, а напряжение на нем падает. Напряжение на нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде

U_Н = E - U_ФД

График зависимости U_Н = f (Ф) приведен на рисунке в.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Основными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого излучения, интегральная чувствительность S_i, темновой ток I_Т и постоянная времени t. Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения Δλ = 0,4...2 мкм. Интегральная чувствительность зависит от площади p-n–перехода и может изменяться в пределах 10^-3... 1 мкА/люкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение
10^-2... 1 мкА.

Фотодиоды имеют очень малую инерционность, т. к. ток в них обусловлен дрейфом неосновных носителей и не связан с диффузией носителей через переход. Постоянная времени t фотодиодов лежит в пределах 10^-3... 1 мкс.

Обозначение фотодиодов состоит из букв ФД и порядкового номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.