Фотодіоди

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий фотодіод - це напівпровідниковий діод, зворотний струм якого залежить від освітленості. Зазвичай як фотодіод використовують напівпровідникові діоди з p-n переходом, який зміщений у зворотному напрямі зовнішнім джерелом живлення.

При поглинанні квантів світла в p-n переході або в прилеглих до нього областях утворюються нові носії заряду. Неосновні носії заряду, що виникли в областях, прилеглих до p-n переходу на відстані, що не перевищує дифузійної довжини, дифундують в p-n перехід і проходять через нього під дією електричного поля. Тобто зворотний струм при освітленні зростає. Поглинання квантів безпосередньо в p-n переході приводить до аналогічних результатів. Величина, на яку зростає зворотний струм, називається фотострумом.

За функціональним призначенням діоди поділяються на випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони, тунельні діоди, фотодіоди, світлодіоди та ін. Спільними властивостями напівпровідникових діодів незалежно від конкретного застосування є:

1) одностороння провідність, тобто прямий струм значно перевищує зворотний струм;

2) нелінійна залежність сили струму від прикладеної напруги;

3) експоненціальна залежність як прямого, так і зворотного струму від температури. Зростання прямого струму з температурою пояснюється збільшенням числа основних носіїв, які мають кінетичну енергію, достатню для переходу над потенціальним бар’єром. Зростання зворотного струму зумовлено збільшенням концентрації неосновних носіїв внаслідок теплової генерації електронно-діркових пар.

 

Фотодіоди

Фотодіо́д — це приймач оптичного випромінювання, який перетворює падаюче на його фоточутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості.

Властивості фотодіода можна охарактеризувати наступними характеристиками.

а) вольт-амперна характеристика фотодіода є залежністю світлового струму при незмінному світловому потоці і темнового струму Iтемн від напруги.

б) світлова характеристика фотодіода, тобто залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямій пропорційності фотоструму від освітленості. Це обумовлено тим, що товщина бази фотодіода значно менше дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Тобто практично всі неосновні носії заряду, що виникли в базі, беруть участь в утворенні фотоструму.

г) спектральна характеристика фотодіода - це залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на фотодіод. Вона визначається з боку великих довжин хвиль шириною забороненої зони, при малих довжинах хвиль великим показником поглинання і збільшення впливу поверхневої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла. Тобто короткохвильова межа чутливості залежить від товщини бази і від швидкості поверхневої рекомбінації. Положення максимуму в спектральній характеристиці фотодіода сильно залежить від ступеня зростання коефіцієнта поглинання.

д) постійна часу - це час, протягом якого фотострум фотодіода змінюється після освітлення або після затемнення фотодіода в е разів (63%) по відношенню до сталого значення.

е) темновоє опір - опір фотодіода у відсутність освітлення.

ж) інтегральна чутливість

з) інерційність.

Існує 3 фізичних чинника, впливаючих на інерційність:

1) час дифузії або дрейфу нерівноважних носіїв через базу t ;

2) час прольоту через p-n перехід

3) час перезарядки бар'єрної ємкості p-n переходу, що характеризується постійною часу RСбар .

Товщина p-n переходу, залежна від зворотної напруги і концентрації домішок в базі, зазвичай менше 5 мкм. RCбар визначається бар'єрною ємкістю p-n залежною від напруги і опору бази фотодіода при малому опорі навантаження в зовнішньому ланцюзі. Величина RСбар порядка декілька наносекунд.

Принцип роботи:

Коли фотон, що має достатню енергію, потрапляє на фотодіод, в останньому відбувається внутрішній фотоефект: фотон збуджує електрон з матеріалу діода, таким чином створюючи пару носіїв заряду: вільний електрон і позитивно заряджену дірку. Якщо поглинання відбувається в області збіднення напівпровідника, ці нові носії виносяться з області її власним електричним полем. Завдяки цьому дірки рухаються до анода, а електрони до катода, і виникає фотострум. Струм фотодіода як діода визначається струмом неосновних носіїв (дрейфовий струм).

Застосування:

Фотодіоди використовуються в побутових електронних пристроях, зокрема програвачах компакт-дисків, детектори диму, приймачах для пультів дистанційного управління. Фотодіоди часто використовуються для точного вимірювання інтенсивності світла в науці та промисловості.