Фотодиоды

Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, которые используют внутренний фотоэффект для преобразования оптического излучения в электрический сигнал. В отличие от фотопроводниковых резисторов, где сопротивление изменяется под действием света, фотодиоды обеспечивают прямое формирование электрического тока при освещении, что делает их незаменимыми в системах детектирования, связи и измерительной технике.

Основой функционирования фотодиода является p-n переход, обладающий барьерным слоем (область обеднения), в котором под действием света возникают фотоносители заряда.

  1. При попадании фотона с энергией hν ≥ Eg (где Eg – ширина запрещенной зоны полупроводника) в области p-n перехода происходит генерация электронно-дырочной пары.
  2. Встроенное электрическое поле области обеднения разделяет носители: электроны перемещаются в сторону n-области, дырки – в сторону p-области.
  3. В результате возникает фототок, который протекает через внешнюю цепь.

Таким образом, фотодиод преобразует энергию светового потока в электрический сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности освещения.

Режимы работы фотодиодов

Фотодиоды могут работать в различных электрических режимах:

  • Фотогальванический (нулевое смещение). В этом режиме на диод не подается внешнее напряжение. Фото-ЭДС возникает за счет разделения носителей внутренним полем. Такой режим используется для измерений, но отличается относительно малой скоростью отклика.

  • Фотодиодный (обратное смещение). На p-n переход подается обратное напряжение. Область обеднения расширяется, а ёмкость перехода уменьшается, что обеспечивает более быструю реакцию на изменение освещённости. При освещении ток в цепи определяется главным образом фототоком, который линейно зависит от падающей оптической мощности.

  • Генераторный режим (лавинное умножение). При подаче на фотодиод высокого обратного напряжения возможен режим лавинного фотодиода, когда фотоны инициируют носители, а последние вызывают ударную ионизацию. В результате коэффициент усиления может достигать сотен, что делает такие приборы крайне чувствительными к слабым световым сигналам.

Вольт-амперная характеристика фотодиода

В темноте в обратном направлении через диод протекает темновой ток – очень малый ток, обусловленный тепловой генерацией носителей.

При освещении ВАХ фотодиода сдвигается вниз (в отрицательную область токов). Основные параметры:

  • Фототок Iph – пропорционален падающей оптической мощности P.

  • Квантовая эффективность η – отношение числа собранных электронов к числу падающих фотонов:

    $$ \eta = \frac{I_{ph}/q}{P/h\nu} $$

  • Спектральная характеристика – зависимость чувствительности фотодиода от длины волны. Определяется шириной запрещённой зоны материала.

Конструкции и материалы

Фотодиоды изготавливаются из различных полупроводников, что позволяет оптимизировать их спектральную чувствительность:

  • Кремниевые фотодиоды (Si). Рабочий диапазон – от 190 до 1100 нм.
  • Германий (Ge). Чувствителен до 1600 нм.
  • Арсенид галлия (GaAs). Используется в оптоэлектронике для диапазона 800–900 нм.
  • Индий-галлий-арсенид (InGaAs). Применяется в инфракрасных системах (900–1700 нм).

По конструкции различают:

  • PIN-фотодиоды. Вставка высокоомного i-слоя между p- и n-областями увеличивает толщину области обеднения, снижая ёмкость и повышая быстродействие.
  • Лавинные фотодиоды (APD). Обеспечивают внутреннее усиление за счёт лавинного размножения носителей.
  • Матричные фотодиоды. Используются в сенсорах изображений (CMOS, CCD).

Динамические свойства

Быстродействие фотодиодов определяется:

  1. Ёмкостью p-n перехода. Чем меньше ёмкость, тем выше частотный диапазон.
  2. Временем пролёта носителей. При увеличении толщины области обеднения скорость отклика снижается.
  3. Сопротивлением нагрузки. Чем оно меньше, тем быстрее разряжается ёмкость перехода.

Современные PIN- и лавинные фотодиоды достигают полосы пропускания в десятки и сотни гигагерц, что делает их основными приёмниками в оптоволоконных системах связи.

Применение фотодиодов

Фотодиоды нашли широкое применение в самых разных областях:

  • Оптоволоконная связь – приёмники в системах передачи данных.
  • Лазерная техника – контроль излучения, стабилизация мощности.
  • Измерительные приборы – фотометрия, спектроскопия.
  • Сенсоры и датчики – системы безопасности, пожарные извещатели.
  • Медицинская техника – пульсоксиметры, биофотонные датчики.
  • Солнечные элементы – работа в генераторном режиме для преобразования солнечного излучения в электричество.
Оглавление