Напівпровідникові прилади на основі p-n переходу, страница 18

При опроміненні в напівпровіднику створюються і інші складові фото-ЕРС і фотоструму, величини яких значно менші описаної.

Якість фотодіода визначається ефективністю управління фотострумом з допомогою опромінення, яке визначає особливості його режимів роботи. Для забезпечення високої чутливості до опромінення необхідно, щоб в фотодіоді дифузійна складова струму була зведена до мінімуму. Тому фотодіод працює або взагалі без зовнішньої напруги (фотогальванічний режим), або при зворотній зовнішній напрузі (фотодіодний режим).

Рис. 3.25

Роботі фотодіода в фотогальванічному режимі відповідає схема, що приведена на рис. 3.25, а. В схемі відсутнє джерело, яке б забезпечувало зміщення р-n переходу в прямому чи зворотньому напрямках. Оскільки в такому режимі роботи фотодіода при його освітленні генерується фотострум I_Ф і струм переходу в відповідності до формули (3.1.4.), то його можна зобразити у вигляді двох джерел струму, направлених зустрічно (рис. 3.25, б). В такій схемі струм I_Н, що протікає через навантаження R_Н :

Звідси напруга, генерована фотодіодом в режимі холостого ходу:

Величина фотоструму І_Ф визначається формулою:

де S_i – інтегральна чутливість фотодіода.

Формули (3.20) – (3.22) дають можливість визначити сімейство вольт-амперних характеристик фотодіода при різних величинах світлового потоку (рис. 3.26).

В першому квадранті характеристика фотодіода повністю відповідає характеристиці випрямляючого діода. В третьому квадранті маємо фотодіодний режим (режим фотоперетворювача), який забезпечується при прикладанні зворотньої напруги до фотодіода по схемі, що приводиться на рис. 3.27. Величина фотоструму при такому режимі роботи майже не залежить від величини зворотньої напруги і повністю задається інтенсивністю світлового потоку, тобто фотодіод при роботі в третьому квадранті може розглядатись як джерело струму, кероване світловим потоком. Робоча точка фотодіода при заданій величині R_Н визначається відомим з електротехніки методами розрахунку електричних кіл з нелінійними елементами.  

Четвертий квадрант ВАХ світлодіода відповідає фотогальванічному режиму, або режиму фотогенератора. Фотодіоди, що працюють в режимі фотогенератора, використовуються як перетворювачі світлового потоку в сонячних батареях.

В практиці проектування схем з фотодіодами ВАХ третього і четвертого квадрантів часто зображають у вигляді, що приводиться відповідно на рис. 3.28, а, б(рис.1.19,і 1.18 відповідно.

Основні параметри фотодіодів

Інтегральна чутливість (S_i) – параметр, що відображає зміну електричного стану фотоприймача при зміні світлового опромінення. Він в деякій мірі є аналогом коефіцієнта підсилення. Величина чутливості S_i фотодіодів суттєво залежить від використованого матеріалу напівпровідника: для кремнієвих вона знаходиться в межах 3 mA/Лм, в той час як для германієвих вона досягає 20 mA/Лм. Інтегральна чутливість визначається по напрузі і по струму. Інтенсивність світлового потоку задається в ватах, або в люменах.

Величина темнового струму – визначається зворотнім струмом неосновних носіїв  p-n переходу. Для германієвих напівпровідників досягає рівня 10-30 мкА, а для кремнієвих – рівня 1-3 мкА.

Спектральна характеристика – визначає функціональну залежність інтегральної чутливості від частоти світлового потоку. Вона  суттєво залежить від використаних матеріалів і технології виготовлення приладу. Наприклад, змінюючи товщину бази та швидкість рекомбінації носіїв, можна змінювати межу короткохвильового діапазону спектральної характеристики. Положення максимуму чутливості суттєво залежить від коефіцієнта поглинання напівпровідника і в деяких межах може змінюватись технологічно.