Фотодиоды

Конструкция фотодиода (рисунок 32) 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.

Рисунок 32 – Конструкция ФД-1: 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

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 33) при освещении n-области в ней образуются 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 (ЭДС фотогенератора), понижающая потенциальный барьер. Это приводит к возникновению прямого тока (I_пр) через р – п-переход, при этом на электродах фотоэлемента устанавливается ЭДС, которая 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

уменьшении R_н возрастает I_н и на такую же величину уменьшается I_пр.

_{– – –}

_+++-

_{– – –}

_+++-

а б

–

G₁_н

R_н

S₁

Рисунок 33 – Включение фотодиода в режимах:

а – фотогенератора; б – фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя при приложении обратного напряжения его потенциальный барьер увеличивается. Так как приложенное напряжение значительно больше фото ЭДС, 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 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.