Фотодиоды

Наиболее известными диодными сенсорами являются фотодиоды. В фотоприемниках (сенсорах света) они ведут себя как управляемый светом источник тока. Благодаря наличию в толще -перехода внутреннего электрического поля дополнительные свободные носители заряда, которые возникают при поглощении квантов света, начинают перемещаться и создают дополнительный электрический ток, пропорциональный интенсивности света. Его называют "фототоком". Зависимость тока через фотодиод от напряжения и интенсивности падающего света довольно хорошо описывается формулой

(6.3)

где – "темновой" ток; – электрический заряд электрона; – напряжение на диоде; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – квантовый выход носителей заряда при возбуждении светом (усредненное количество носителей, которые возникают при поглощении одного кванта света); – квантовая интенсивность светового потока (фотонов/с).

На практике световой поток часто задают в люксах. Тогда коэффициент при нем имеет смысл светочувствительности фотодиода и задаётся в мкА/лк. Соответствующие вольтамперные характеристики фотодиода при отсутствии света и при его возрастающих интенсивностях показаны слева на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Слева – вольтамперные характеристики фотодиода при разных уровнях освещенности; справа – эквивалентная электрическая схема фотодиода

Справа рис.6.1 приведена эквивалентная электрическая схема фотодиода. Рядом с источником тока показаны собственная электроемкость диода и его внутреннее сопротивление . Они в значительной мере и определяют быстродействие фотодиода. Чтобы обеспечить высокое быстродействие, надо, в первую очередь, уменьшать собственную емкость фотодиода. Этого достигают, используя фотодиоды структуры, которые показаны на рис. 6.2. В такой структуре непосредственно возле -области (анода) диода формируется обширная очень обедненная носителями, почти изолирующая, область кремния (так называемая -область). Этим достигается значительное уменьшение собственной емкости фотодиода.

Рис. 6.2. Структура р-і-n-фотодиода

Чтобы в полупроводнике при поглощении фотона образовалась пара носителей заряда (электрон + "дырка"), энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной энергетической зоны.

Для кремния, например, это 1,12 эВ. Такую энергию имеют кванты света с длиной волны меньше 1,1 мкм – это так называемая "красная граница" фоточувствительности для чистого кремния. С другой стороны, видимый свет с длиной волны, существенно меньше 0,1 мкм, уже сильно поглощается кремнием. Из-за этого, если -область кремния относительно толстая, свет так и не доходит до -перехода. Поэтому для того, чтобы кремниевые фотодиоды имели высокую чувствительность и в видимой области спектра, -область кремния надо делать очень тонкой.

Фотодиоды, которые должны быть чувствительны к свету из ближней инфракрасной области спектра с длиной волны от 1,2 до 2 мкм, делают из германия, а чувствительные к свету средней и далекой инфракрасной (ИК) области – из еще более "узкозонных" полупроводников . Из-за узкой запрещенной зоны темновой ток у таких фотодиодов и дробовой шум при комнатных температурах слишком велики. Поэтому фотодиоды, которые должны работать в средней и далекой ИК области спектра, как правило, приходится охлаждать.

Дата добавления: 2014-01-15