Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n -переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта. Фотодиоды имеют различную конструкцию, различное назначение и различные параметры, но в большинстве случаев структура фотодиода бывает такой, как показано на рис. 6.13, б. На принципиальных схемах фотодиод изображается символом, показанным на рис. 6.13, в.

Фотодиод можно использовать в двух различных включениях: фотодиодном и фотогальваническом.

Фотогальваническое включение (рис. 6.14) предполагает использование фотодиода как источника фотоЭДС, поэтому в настоящее время его называют полупроводниковый фотоэлемент.

Рассмотрим процесс возникновения фотоЭДС в фотодиоде (рис. 6.15). В отсутствие освещения фотодиода концентрация носителей в его обеих областях будет равновесной, а следовательно никакой разности потенциалов между областями не будет. Если же осветить полупроводник лучами света, то в результате поглощения энергии фотонов будут образовываться пары «электрон – дырка». Дырки в области p являются основными носителями, поэтому поле p–n -перехода будет их отталкивать от границы раздела, а вот образовавшиеся свободные электроны, являясь в области p неосновными носителями, будут переброшены полем через границу раздела в область n, где они являются основными. Аналогично, в области n из образовавшихся носителей «электрон – дырка» только дырки, являясь неосновными носителями, будут переброшены через границу раздела в область p, а образовавшиеся свободные электроны только пополнят количество основных носителей в области n, увеличив их концентрацию.

Таким образом, за счёт поглощённой световой энергии в полупроводнике образуются пары носителей; неосновные носители перебрасываются в соседнюю область электрическим полем p–n -перехода, а основные носители остаются в своей области; концентрация носителей возрастает и становится сверхравновесной, т.е. суммарный электрический заряд основных носителей в обеих областях полупроводника уже не уравновешивается противоположным зарядом ионов примеси, и следовательно в области p появляется суммарный положительный заряд, а в области К = lgN – суммарный отрицательный заряд, которые обусловят возникновение разности потенциалов между областью p и областью n. Эту разность потенциалов называют фотоЭДС. Если теперь создать внешнюю электрическую цепь между областями p и n, то по ней потечёт электрический ток – фототок под действием возникшей фотоЭДС.

Следует отметить, что из всех образовавшихся в результате поглощения лучистой энергии носителей не все будут участвовать в образовании светового тока, а только те, которые попадают в зону действия электрического поля потенциального барьера, ограниченную (рис. 150) областью . Остальные неосновные носители, образовавшиеся вне этой зоны, скорее всего, рекомбинируют, снижая эффективность использования световой энергии. Отсюда становится ясной целесообразность конструктивного исполнения фотодиода, когда освещают не обе области полупроводника, а только одну, зато очень тонкую, когда практически все образовавшиеся под действием освещения неосновные носители будут разделены р–n -переходом.

1. Вольт-амперная характеристика .Это зависимость фототока от напряжения на фотодиоде при неизменном световом потоке.

Вольт-амперная характеристика описывается следующим уравнением:

(6.4)

где – напряжение между анодом и катодом фотодиода. В случае фотогальванического включения это – напряжение на нагрузке; – световой ток – суммарный поток носителей электрического заряда, образовавшихся вследствие внутреннего фотоэффекта и разделённых полем p–n -перехода; – ток нагрузки (в случае фотогальванического включения); – темновой ток – суммарный поток носителей электрических зарядов, пересекающих границу раздела при отсутствии освещения; k – постоянная Больцмана, k =1,38 10^-23 ; q – заряд электрона, q =1,6 10^-19 Кл; T –абсолютная температура.

Вид вольт-амперной характеристики показан на рис. 6.16. При Ф = 0 вольтамперная характеристика фотодиода превращается в вольт-амперную характеристику обычного p–n -перехода, достаточно подробно изученную ранее. При наличии освещения ток нагрузки, как видно из рисунка, потечёт по внешней цепи от области p к области n, а внутри кристалла – от области n к области p, т.е. в направлении, которое для обыкновенного диода является обратным и откладывается вниз от нуля по оси ординат; напряжение на фотодиоде – (+) на области p, (–) на области n является прямым для обыкновенного диода и поэтому откладывается вправо от нуля на оси абсцисс. Фактически вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой вольт-амперную характеристику обычного p–n -перехода, смещённую вниз и вправо в зависимости от светового потока Ф.

Точки пересечения характеристики с осями координат представляют собой напряжение холостого хода (или фотоЭДС) на оси абсцисс и ток короткого замыкания на оси ординат.

Участок характеристики за точкой представляет собой режим, когда фотодиод работает с внешним источником ЭДС, включенным встречно по отношению к фотодиоду.

Участок за точкой характеризует работу фотодиода с внешним источником ЭДС, включенным согласно по отношению к фотодиоду. Это и есть фотодиодное включение, которое будет рассматриваться ниже.

2. Световая характеристика фотодиода = f (Ф) или E = f (Ф) представлена на рис. 6.17.

Как следует из выражения (6.4), напряжение на фотодиоде или, в режиме холостого хода, фотоЭДС E изменяется по логарифмическому закону при возрастании светового потока Ф, а световой ток прямопропорционально зависит от светового потока Ф. Поэтому при увеличении светового потока Ф характеристики смещаются неодинаково по оси абсцисс и по оси ординат. Так по оси ординат, где откладывается световой ток, характеристики, смещаются равномерно при изменении светового потока. По оси абсцисс, где откладывается = E, эти характеристики смещаются не линейно, а в соответствии с кривой E = f (Ф).

3. Спектральная характеристика. Это – зависимость S* = f (λ), где S* – относительная мощность фотодиода; – длина волны электромагнитного излучения. Вид этой характеристики представлен на рис. 6.18.

Зависимость 1 представляет собой относительную мощность солнечного излучения. Другие две зависимости показывают

относительную мощность фотодиодов, выполненных на основе кремния и германия. Очевидно, что в области видимой части спектра солнечного излучения наибольшую относительную мощность имеет фотодиод на основе кремния. Именно из кремния делают чаще всего фотодиоды, работающие в этой области длин волн.

Фотодиодное включение представлено на рис. 6.19. В данном случае фотодиод работает с внешним источником U, который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС , которая по отношению к источнику E включена последовательно и согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф. Этот режим иллюстрируется отрезками вольт-амперной характеристики фотодиода в третьем квадранте (рис. 6.16). Однако в справочной литературе эти характеристики приводятся чаще в первом квадранте (рис. 6.20) для удобства использования.

Основными параметрами фотодиодов являются:

1. Чувствительность:

2. Рабочее напряжение .

3. Динамическое сопротивление .

В настоящее время важное значение имеют полупроводниковые фотоэлементы, используемые в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. Из таких элементов создают солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20 %) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи являются основными источниками питания искусственных спутников Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

Дата добавления: 2015-06-04