Фотодиоды. Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том что под действием энергии светового излучения в области p – n – перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к p – n – переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок ). Промышленность выпускает германиевые и кремниевые фотодиоды.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогенераторном и фотопреобразовательном. В отличие от фотогенераторного фотопреобразовательный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n и p – типов на общей их границе создается контактная разность потенциалов (Рисунок8.а.). При отсутствии светового потока (Ф = 0) и нагрузки (ключ разомкнут) диффузионная составляющая тока p – n – перехода , обусловленнаяплотностью тока основных носителей, уравновешивается дрейфовой составляющей тока , определяемой плотностью тока неосновных носителей. Поэтому: .

При освещении полупроводника в области p – n –перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда p – n – перехода “разделяет” эти пары: дырки дрейфуют в p – область, а электроны – в n – область, т.е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей.

Поскольку в области полупроводника p – типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n – типа накапливаются избыточные носители с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов (рисунок 12, а), представляющая собой фото ЭДС .

Рисунок 12

Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера

, увеличивая тем самым диффузионную составляющую тока. При подключении нагрузки (ключ замкнут) потечет ток

и напряжение на внешних зажимах фотодиода уменьшится до некоторого значения

При подключении внешнего смещения (фотопреобразовательный режим рисунок 12, б) и отсутствии освещения, через p – n переход дрейфуют лишь собственные неосновные носители, обуславливающие дрейфовый ток . Отсутствие диффузионной составляющей тока объясняется тем, что под действием внешнего источника Е внутреннее поле, определяемое фото ЭДС , компенсируется и потенциальный барьер возрастает. При этом большая часть напряжения источника Е падает на большом сопротивлении обратно смещенного p – n – перехода, составляя напряжение . При освещении p – n –перехода, благодаря процессу ионизации атомов кристалла, генерируются дополнительные пары носителей заряда, которые дрейфуя через p – n – переход в том же направлении, что и собственные неосновные носители, обуславливают фототок и через нагрузку протекает ток .

Зависимость тока фотодиода от приложенного к нему напряжения определяет вольт – амперную характеристику диода . На рисунок 13, а, семейство таких характеристик при Ф= const. При Ф = 0 через диод протекает лишь тепловой ток . С освещением (Ф>0) фототок диода возрастает пропорционально величине светового потока. Это подтверждает также световая характеристика (рисунок 13, а.) , которая при имеет строго линейный характер. Поскольку обычно мал, то отношение определяющее изменение освещения, значительно. По световой характеристике определяется интегральная зависимость фотодиода, которая равна отношению фототока к интенсивности светового потока:

а) ВАХ б) световая в) спектральная Рисунок 13

Фототок диода зависит также от длины волны светового излучения. Кривая, отражающая количественную реакцию фотодиода на свет различной длины волны, называется спектральной характеристикой (Рисунок 13, в)

Для германиевого фотодиода значение максимального фототока можно получить в области инфракрасного участка спектра.

2.12Светодиоды (электролюминесцентные диоды)

Светодиоды преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией.

Основой светодиода является p – n переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n – области полупроводника инжектируют в p – область, где они являются не основными носителями, а дырки – во встречном направлении.

В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака.

Рекомбинационные процессы в арсениде галия (GaAs), фосфиде галия (GaP), имеющих большую ширину запрещенной зоны, сопровождается выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

Основными характеристиками светодиодов являются: ВАХ – ; зависимость мощности и яркости излучения от величины прямого тока, соответственно и ВАХ аналогична характеристике диодов универсального назначения (рисунок 14, б).

Мощность и яркость излучения во многом определяется конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропустить через диод при допустимом нагреве, тем больше яркость излучения (рисунок 14, а, б).

К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны определяет цвет свечения, зависит от разности энергий , между которыми осуществляется переход электронов, и определяется равенством , где эрг. – постоянная Планка.

а) общий вид светодиода б, в) яркостные характеристики светодиодов Рисунок 14

Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в электронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов, в оптронах и т.д. В таблице 4 приведен пример основных параметров светодиода.

Таблица №4 Основные характеристики светодиода