Фотодиоды

Конструкция фотодиода сходна с конструкцией плоскостного германиевого диода, Это пластинка полупроводника с областями р- и n- проводимости, которые разделены р-n-переходом. Пластинка заключена в корпус из прозрачной пластмассы или в металлический корпус с окном, пропускающим световой поток. Конструкция ФД-1 показана на рисунке 1.32.

1 – кристалл германия с p-n переходом;

2 – кристаллодержатель;

3 – корпус;

4 – вывод;

5 – металлическая трубка;

6 – вольфрам;

7 – ножка;

8 – оловянное кольцо;

9 – стеклянное окно.

6

7

8

9

5

4

3

2

1

Рисунок 1.32 – Конструкция ФД-1

Фотодиоды могут работать в режиме фотогенератора (без внешнего источника питания) и в режиме фотопреобразователя (с внешним источником питания, включенным в обратном направлении).

В режиме фотогенератора (рисунок 1.33) при освещении n-области в ней образуется пары-электрон и дырка. Образовавшиеся заряды диффундируют к переходу, полем которого дырки втягиваются в р-область (I_ф). При разомкнутом ключе в р-области накапливается избыточный положительный заряд, а в п-области отрицательный заряд. На электродах фотодиода возникает разность потенциалов (э.д.с. фотогенератора), понижающая потенциальный барьер. Это приводит к возникновению прямого тока (I_пр.) через р-п-переход, при этом на электродах фотоэлемента устанавливается э.д.с., величина, которой меньше высоты потенциального барьера до освещения.

Если электроды замкнуты накоротко, то разность потенциалов на них не возникает и высота потенциального барьера при освещении не изменится. При включении R_н протекающий через него ток нагрузки I_н = I_ф – I_пр.. При уменьшений R_н возрастает I_н и на такую же величину уменьшается I_пр..

_{+ ++-}

_{+ ++-}

_{- - -}

_{- - -}

Ф

Ф

n

n

p

p

+

-

E

G_1н

R_н

R_н

S₁

Рисунок 1.33 – Включение фотодиода в режиме фотогенератора и в режиме фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя при приложении обратного напряжения его потенциальный барьер увеличивается. Так как приложенное напряжение значительно больше фото э.д.с., то при освещении р-п-перехода высота потенциального барьера практически не изменяется и все освобожденные светом и разделенные полем р-п-перехода заряды уходят во внешнюю цепь. Прямой ток через р-п-переход, который возникает при работе в режиме фотогенератора и уменьшает ток в нагрузочном сопротивлении, в данном случае равен нулю.

При отсутствии света через р-п-переход и R_н протекает обратный ток р-п-перехода I_окр = I_т (где I_т темновой ток), при освещении фотодиода через R_н протекает ток I_общ = I_ф – I_т. Так как внутреннее сопротивление фотодиода в этом режиме велико, ток не зависит от величины R_н в широком диапазоне. Вторым преимуществом работы фотодиода в режиме фотопреобразователя является линейность энергетической характеристики фототока. В режиме фотогенератора энергетическая характеристика фототока линейна лишь при очень малых потоках излучения, падающих на фотодиод или малых R_н.