Фотодиод

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы. Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольтамперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. Т. 127). Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет

 

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением «в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-п-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-п-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения и_ак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделанным замечанием о разделении электронов и дырок и_ак. > 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя р, электроны — к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), ив так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при u > 0 и i < 0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию вo внешнюю цепь (и • I < 0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям и < 0 и i < 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (и • i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷—10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светоди-

ода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в опто-пару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).

При этом ток 1 и напряжение и фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).