Фотоприемники на основе фотодиодов

Фотодиод  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 и основных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

,                            (15.3)

 

где І _ф = S_i Ф — фототoк;

  S_i — интегральная чувствительность;

  Ф — световой поток.

Вольтамперные характеристики фотодиода приведены на рис. 15.3 а, а его схематич­ное изображение — на рис. 15.3 б.

Без включения нагрузки фото­диод может работать в двух режи­мах: 1) короткого замыкания (фотодиодный режим) и 2) холостого хода (вентильный режим). В режиме корот­кого замыкания напряжение на дио­де равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.

.                                    (15.4)

  Таким образом, в режиме короткого за­мыкания соблюдается прямая про­порциональность между обратным током в диоде и световым потоком (рис.15.4). Такая пропорциональность достаточно хо­рошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_XX, отмеченное на рис. 15.3 а, лежит на горизонтальной оси. Для определе­ния этого напряжения можно прологарифмировать выражение (15.3), откуда на­ходим

(15.5)

Таким образом, при I=0 р-область заряжается положительно, а п-область -отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется раз­ность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению U_xx и не может превышать контактной разности потенциалов φ_К. Для кремниевых фотоди­одов напряжения U_xx<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выход­ного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности (рис.15.5).

Реализовать режим короткого замыкания фотодиода можно только с помо­щью операционного усилителя, а практическая реализация режима холостого хода вообще затруднительна. По указанной причине чаще всего используется фотодиодный режим работы фотодиода.

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