Лекция №5

Лекция №5

Фотодиоды.

Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную часть свет в электрический заряд, за счет процессов ПН переходов.

1 – кристалл полупроводника.

2 – контакты.

3 – выводы.

Ф – поток электромагнитного излучения.

Е – источник постоянного тока.

Rn – нагрузка.

Под воздействием квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе ПН перехода. Ширина базы Н области делается такой, чтобы дырки не успели рекомбинировать до перехода в П область. Ток фотодиода определяется током не основных носителей или дрейфовым током.

Быстродействие фотодиодов определяется скоростью разделения носителей, полем ПН перехода и емкостью ПН перехода.

Режимы работы фотодиодов.

Фотодиоды могут работать в двух режимах в фотодиодном и фотогальваническом.

В фотодиодном режиме диод смещается в обратном направлении и фототок является функцией освещенности. В фотогальваническом режиме прибор работает в режиме генерации фотоЭДС. По сравнению с фотогальваническим, фотодиодный обладает рядом преимуществ: пониженная инерционность, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широкий динамический диапазон линейности характеристик. Основной недостаток этого режима: наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. Соответственно в ряде случаем при необходимости обеспечения низкого уровня шума в фотоприемнике, фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Основные параметры фотодиодов:

1. Токовая чувствительность.

2. Постоянное время нарастания и спада фотопотока.

3. Рабочая длина волны или рабочий интервал длинны волны.

4. Номинальным рабочим напряжением.

5. Темным током.

6. Максимально допустимым обратным напряжением.

7. Шумами.

Чувствительность отражает изменения электрического состояния на выходе фотодиода, при подаче на вход единичного оптического сигнала.

Токовая чувствительность по световому потоку

Второй случай по фотогальваническому потоку.

Третий по световому потоку

По энергетическому потоку.

Характеристика шумов.

Помимо полезного сигнала, на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром, который называется шумом фотодиода. Соответственно этот шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Вольтамперная характеристика диодов.

В квадрате 1 соответствуют включению в прямом направлении. Квадрат 4 соответствует работе диодов в фотогальваническом режиме. Квадрат 3 соответствует работе в фотодиодном режиме.

По оси напряжения можно определить фотоЭДС при различной интенсивности принимаемого светового потока и нулевом сопротивлении нагрузке. А по оси тока, оптоток при различных значениях Ф, а так же при нулевом сопротивлении нагрузке.

При больших значениях обратного напряжения наблюдается лавинный пробой, ПН переход.

Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при интенсивности излучения в тысячи, десятки тысяч люкс. Световые характеристики кремниевых диодов, линейны до интенсивности превышающей сотни тысяч люкс. Насыщение прибора в фотогальваническом режиме наступает при меньших уровнях освещенности, чем в фотодиодном.

Зависимость темного тока фотодиодов от температуры окружающей среды.

Параметры кремниевого и германиевого фотодиодов заметно зависят от температуры окружающей среды. При повышении ее на каждые 10 градусов, темновой ток увеличивается: германиевых в 2 раза, а кремниевых в 3 раза. При этом чувствительность и обнаружительная способность понижаются. Уровень собственных шумов увеличивается, а максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям.

Спектральные характеристики.

Спектральная характеристика кремниевого фотодиода.

Спектральная характеристика германдиевого фотодиода.

Как видно из рисунка чувствительность германдиевого фотодиода сдвинута в сторону более длинных волн.