ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОДІОДУ

Основними характеристиками фотодіода є: ВАХ, світлова та спектральна.

Вольт-амперна характеристика. У загальному випадку (за будь-якої полярності U) струм фотодіода описується виразом (1). Цей вираз є залежністю струму фотодіода Iф від напруги на фотодіоді U при різних значеннях потоку випромінювання Ф, тобто. є рівнянням сімейства вольт-амперних характеристик фотодіоду. Графіки вольт-амперних характеристик наведено на рис. 1.7.

Мал. 1.7 ВАХ фотодіода.

Сімейство вольт-амперних характеристик фотодіода розташоване у квадрантах I, III та IV. Квадрант I – це неробоча область для фотодіода: у цьому квадранті до p-n переходу прикладається пряма напруга і дифузійна складова струму повністю пригнічує фотострум (Ip-n). Фотоуправління через діод стає неможливим.

Квадрант III – це фотодіодна сфера роботи фотодіода. p-n переходу прикладається зворотне напруга. Слід підкреслити, що в робочому діапазоні зворотної напруги фотострум практично не залежить від зворотної напруги і опору навантаження. Вольт-амперна характеристика навантажувального резистора R являє собою пряму лінію, рівняння якої має вигляд:

де Uобр - напруга джерела зворотної напруги; U - зворотне напруження на фотодіоді; Iф-фотострум (струм навантаження).

Фотодіод і фоторезистор навантаження з'єднані послідовно, тобто. через них протікає той самий струм Iф. Цей струм Iф можна визначити за точкою перетину вольт-амперних характеристик фотодіода і резистора навантаження (рис 1.7 квадрант III) Таким чином, у фотодіодному режимі при заданому потоці випромінювання фотодіод є джерелом струму Iф по відношенню до зовнішнього ланцюга. Значення струму Iф від параметрівзовнішнього ланцюга (Uобр, R) мало залежить (Рис 1.7.).

Квадрант IV сімейства вольт-амперних характеристик фотодіода відповідає фотогальванічному режиму фотодіода. Точки перетину вольт-амперних характеристик з віссю напруги відповідають значенням фото-ЕРС Eф або напругам холостого ходу Uхх (Rн = ∞) при різних потоках Ф. У кремнієвих фотодіодів фото-ЕРС 0,5-0,55 В. Точки перетину вольт-амперних Показники з віссю струмів відповідають значенням струмів короткого замикання Iкз (Rн = 0). Проміжні значення опору навантаження визначаються лініями навантаження, які для різних значень Rн виходять із початку координат під різним кутом. При заданому значенні струму за вольтамперними характеристиками фотодіода можна вибрати оптимальний режим роботи фотодіода у фотогальванічному режимі (Рис. 1.8). Під оптимальним режимом в даному випадку розуміють вибір такого опору навантаження, при якому Rн буде передаватися найбільша електрична потужність.

Рис.1.8. ВАХ фотодіода у фотогальванічному режимі.

Одимальному режиму відповідає для потоку Ф1 лінія навантаження R1 (площа заштрихованого прямокутника з вершиною в точці А, де перетинаються лінії Ф1 і R1, буде найбільшою – рис.1.8). Для кремнієвих фотодіодів за оптимального навантаження напруга на фотодіоді U=0,35-0,4 В.

Світлові (енергетичні) характеристики фотодіода - це залежність струму від світлового потоку I = f(Ф):

Мал. 1.9. Світлова характеристика ФД.

У фотодіодному режимі енергетична характеристика робочого діапазону потоків випромінювань лінійна.

Це говорить про те, що практично всі фотоносії доходять до p-n переходу і беруть участь в утворенні фотоструму, втрати неосновних носіїврекомбінацію не залежить від потоку випромінювання.

У фотогальванічному режимі енергетичні властивості є залежностями або струму короткого замикання Iкз, або фото-ЭДС Eф від потоку випромінювання Ф. При великих потоках Ф закон зміни цих залежностей значно відхиляється від лінійного (рис. 1.10).

Фотодіоднийрежим

Рис.1.10. Світлові характеристики ФД

Для функції Iкз = f(Ф) поява нелінійності пов'язана із зростанням падіння напруги на об'ємному опорі бази напівпровідника. Зниження фото-ЕРС пояснюється зменшенням висоти потенційного бар'єру при накопиченні надлишкового заряду електронів у n-області та дірок p-області.

Діодний режим має у порівнянні з генераторним такі переваги:

вихідний струм у фотодіодному режимі не залежить від опору навантаження, в генераторному режимі максимальний вхідний струм може бути отриманий тільки при короткому замиканні навантаження.
Фотодіодний режим характеризується високою чутливістю, великим динамічним діапазоном перетворення оптичного випромінювання, високою швидкодією (бар'єрна ємність p-n переходу зменшується).

Недоліком фотодіодного режиму є залежність темнового струму (зворотного струму p-n переходу) від температури.

Основними параметрами є:

робоча напруга Uраб – напруга, що прикладається до діода у фотоперетворювальному режимі.
Інтегральна чутливість Kф.