Исследование Фотодиодов

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический селективный приёмник оптического излучения, обладающий односторонней фотопроводимостью.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

В первом режиме используется фотогальванический эффект – разновид-ность внутреннего фотоэффекта, связанная образованием разности по-тенциалов (фотоэдс) при освещении неоднородного полупроводника. Фотодиоды состоят из двух примес-ных полупроводников с различными типами электропроводности, на границе между которыми создаётся p-n –переход (рис 4.1.1), фотодиоды изготовляют из германия, кремния, арсенида, галлия, индия, сульфида, кадмия и других полупроводниковых материалов. Световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости p-n – перехода (рис. 4.1.1). в отсутствии освещения и внешнего источника электроэнергии в области p-n –перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда – положительными ионами в n -области и отрицательными ионами в p -области.

При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя толщину полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях. увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), то есть дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n -перехода неосновные носители заряда n -области – дырки переходят в p -область, а неосновные носители заряда p -области – электроны – в n-область. Это приводит созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фотоэдс. Предельно возможное значение фотоэдс равно контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольт. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фотоэдс достигает 0,5–0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия –0,87 В.

и замкнуть зажимы освещённого фотодиода через резистор, то в электрической цепи появляется ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, значение которого зависит от фотоэдс и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещённости фотодиода будет при сопротивлении резистора, равным нулю, то есть при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора, не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода существенно уменьшается.

Если к неосвещённому фотодиоду подключить источник, значение и полярность напряжение которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 4.1.2). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви практически совпадают при сравнительно набольших напряжениях. Отрезок Об на рис. 4.1.2 соответствует напряжению холостого хода освещённого фотодиода, то есть фотоэдс, а отрезок Оа – току короткого замыкания фотодиода. Участок аб характеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора. Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока построены на рис. 4.1.3.

Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении (участок аб на рис. 4.1.2). Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока показаны на рис. 4.1.4.

Ток мало зависит от сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Токовую чувствительность фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, измеряют при коротком замыкании по формуле .

В режиме фотопреобразователя ток практически равен току короткого замыкания, поэтому чувствительность фотодиода по току в обоих режимах принято считать одинаковой. Чувствительность фотодиодов (мА/лм): селеновых – 0,3¸0,75, кремниевых – 3, сернисто-серебрянных – 10¸15, германиевых – до 20.

Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов, ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока. У германиевых фотодиодов он равен 10¸30 мкА, у кремниевых - 1¸3 мкА. Энергетические характеристики фототока фотодиода в режиме фотопреобразователя линейны, а в режиме фотогенератора существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. На рис 4.1.5 приведены энергетические характеристики фототока селенового фотодиода в режиме фотогенератора при различных значениях сопротивления нагрузочного резистора.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, поэтому их широко применяют в фото- и кинотехнике. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части излучения.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры. В частности, темновой ток возрастает почти вдвое при повышении температуры на 10^оС, что ограничивает в ряде случаев применение фотодиодов. При этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны.

По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

В работе исследуются вольтамперные и световые характеристики фотодиода в фотодиодном режиме. Рассчитываются параметры прибора в фотодиодном режиме: интегральная чувствительность, начальное статистическое R_o и динамическое R_Д сопротивления фотодиода, а также чувствительность по напряжению.

Анализируется зависимость темнового тока от температуры и строится график зависимости R_o от температуры. Изучаются электрические и световые характеристики фотодиода в вентильном режиме. Вычисляются параметры фотодиода в вентильном режиме: интегральная чувствительность, ток короткого замыкания и напряжение холостого хода при отдельном световом потоке Ф.

На рис 4.1.6 приведена схема для снятия вольтамперных, световых и температурных характеристик фотодиода в фотодиодном режиме. Способ изменения и контроля светового потока, его спектрального состава, а также модуляции светового потока изложен в методических указаниях.

Схема на рис. 4.1.7 предназначена для снятия вольтамперных и световых характеристик фотодиода в вентильном режиме (R_H – магазин сопротивлений, используемый в качестве нагрузки). Ток в режиме короткого замыкания и напряжения в режиме холостого хода могут быть измерены с помощью компенсационных схем на рис. 4.1.8 и 4.1.9, в которых используется микроамперметр с малым внутренним сопротивлением (mА₁).