Фотодиоды являются полупроводниковыми приборами, преобразующими оптическое излучение в электрический ток. Основу работы фотодиода составляет внутренний фотоэффект, происходящий в p-n-переходе или в структуре PIN. При попадании фотона с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, происходит генерация пары “электрон–дырка”. Созданные носители заряда разделяются электрическим полем p-n-перехода, что приводит к появлению фототока.
Существует два основных режима работы фотодиода:
PIN-фотодиоды Обладают высокой чувствительностью и быстродействием. Между p- и n-областями встроен и-слой (интринзик, т.е. слаболегированный), расширяющий зону генерации носителей и уменьшающий ёмкость перехода. Часто применяются в высокочастотной оптике, системах связи, лазерной спектроскопии.
Аваланчевые фотодиоды (APD) Работают при высоком обратном напряжении, при котором создаваемые носители заряда инициируют лавинный пробой. Это приводит к внутреннему усилению сигнала, увеличивая чувствительность. Важна точная стабилизация напряжения и термостабильность, так как лавинное усиление чувствительно к температуре и шуму.
Многоэлементные фотодиоды Включают линейные и двумерные матрицы, применяемые в сканерах, камерах, спектрометрах. Позволяют пространственно разрешать интенсивность излучения.
Шоттки-фотодиоды Создаются на основе металлического контакта с полупроводником. Обладают очень малым временем отклика, но меньшей чувствительностью по сравнению с PIN-типами. Идеальны для детектирования ультрафиолета и ближнего ИК-диапазона.
Чувствительность фотодиода определяется коэффициентом внешней квантовой эффективности — отношением числа созданных носителей заряда к числу падающих фотонов. Эта величина зависит от материала полупроводника:
Максимум чувствительности обычно приходится на длину волны, соответствующую границе поглощения материала.
Время отклика фотодиода зависит от:
Шум в фотодиодах возникает из-за:
Снижение шумов достигается охлаждением фотодиода и использованием интегральных усилителей с низким уровнем собственных шумов.
Фотоумножители — это вакуумные электронные приборы, обеспечивающие усиление слабых световых сигналов вплоть до единичных фотонов. Работают на основе внешнего фотоэффекта и вторичной эмиссии электронов. Основные элементы конструкции:
Коэффициент усиления: может достигать 10⁶–10⁸.
Темновой ток: возникает из-за термоэлектронной эмиссии и влияет на чувствительность.
Чувствительность: зависит от материала фотокатода, например:
Время отклика: ~1–10 нс, что позволяет использовать ФЭУ в импульсных измерениях, лазерной спектроскопии, регистрации одиночных фотонов.
| Характеристика | Фотодиоды | Фотоумножители (ФЭУ) |
|---|---|---|
| Чувствительность | Средняя | Очень высокая |
| Быстродействие | Высокое | Среднее – высокое |
| Рабочее напряжение | Низкое (до 100 В) | Высокое (до 2000 В и более) |
| Габариты | Компактные | Крупные |
| Чувствительность к магнитным полям | Низкая | Высокая |
| Надёжность и срок службы | Высокие | Ограниченные |
| Стоимость | Низкая – средняя | Средняя – высокая |
Фотодиоды активно применяются в:
Фотоумножители находят применение в:
Развитие полупроводниковых технологий привело к появлению фотоприёмников на основе APD и лавинных кремниевых структур (SiPM), которые сочетают преимущества ФЭУ и компактность фотодиодов. Это позволяет реализовывать чувствительные приёмники на твердотельной основе для регистрации единичных фотонов в широком спектральном диапазоне.