Короткі теоретичні відомості.

 

Робота фотодатчика полягає в зміні напруги фотодіода при зміні освітленості.

У регуляторі яскравості світіння електролампи використовується так називаний фазоімпульсний спосіб регулювання середнього струму через навантаження. Він змінюється завдяки тому, що навантаження підключається до мережі не безпосередньо, а електронним ключем через якийсь час після появи чергової напівхвилі сіткової напруги. Змінюючи цей час, споживаний навантаженням від мережі потужність можна регулювати практично від нуля до максимуму. Для лампи це означає зміну яскравості її світіння.

Фотодіоди (ФД) являють собою фоточуттєві прилади зі структурою напівпровідникових діодів.

Основу (базу) ФД складає пластина n-германія, у яку уведений плавленням або дифузією p-індій. На границі роздягнула цих областей виникає електричний p-n-перехід. Дія ФД заснована на фотогальванічному ефекті в опроміненому p-n-переході.

 

 

Рис. 4.1.??????

 

Характеристики. У робочому стані до фотодіода підключається зворотна напруга. При відсутності оптичного випромінювання (Ф = 0) під дією зворотної напруги у ФД тече темновий зворотній струм. Ця залежність I_ф =  (U_обр) приФ₁=0являє собою зворотну галузь ВАХ, аналогічну характеристикам звичайного напівпровідникового, діода.

При висвітленні ФД (Ф> 0) у p-n-переході і прилягаючих до нього областях кристала напівпровідника (за рахунок поглинання квантів світла) виникає генерація электронно-дірочных пар. Під дією електричного поля контактної різниці потенціалів неосновні носії, що утворилися, ідуть з р- і n-областей (електрони з р- у n-область, а дірки в зворотному напрямку). При цьому область р здобуває позитивний, а область n-негативний заряд. У результаті між р- і n- областями виникає різниця потенціалів (фотогальванічний ефект), що представляє фото - ЕДС. Поле, створюване цієї фото -ЕДС. у p-n-переході, буде спрямовано зустрічно полю, що виникло через контактну різницю потенціалів У результаті висвітлення потенційний бар'єр у переході зменшиться і на величину виниклого фотоструму I_ф зросте в ньому зворотний струм не основних носіїв. Характеристика зрушується в область великих зворотних струмів (ВАХ при Ф₂> Ф₁=0). У робочому діапазоні зворотних напруг при висвітленні ФД зворотний струм практично не залежить від прикладеної зворотної напруги, тому ВАХ йдуть досить порожнього.

 

Рис.4.2. Структура та характеристики фотодіоду

 

Зі збільшенням світлового потоку (Ф₄> Фз> Ф₂> Ф₁) фотострум росте лінійно, тому ВАХ при однакових збільшеннях потоку  Ф эквидистанти. При прямій напрузі електричне поле у переході але напрямкові не змінюється, тому напрямок фотоструму залишається колишнім, але протилежним темновому току.

Світлові (енергетичні) характеристики ФД представляють залежність фотоструму від освітленості I_ф= f (Ф) при U_обр=соnst. Вони лінійні у широкому інтервалі змін світлового потоку. Пояснюється це тим, що товщина бази діода значно менше дифузійної довжини не основних носіїв. Тому всі не основні носії, що виникли в базі в результаті світлової генерації, досягають переходу і беруть участь в утворенні фотоструму. Утрати носіїв на рекомбінацію невеликі (через малий зміст неконтрольованих домішок) і не залежать від значення потоку.

Збільшення зворотної напруги (U_обр1 > U_обр2) викликає розширення переходу і відповідно зменшення ширини бази. При цьому менша частина не основних носіїв заряду встигає рекомбінуватися у товщі бази, тому фотострум у ФД збільшується. Спектральна характеристика ФД, ілюструє залежність чутливості від довжини хвилі. З боку великих довжин хвиль границя спектральної характеристики визначається шириною забороненої зони напівпровідника, а з боку коротких — товщиною області, що опромінюється і швидкістю поверхневої рекомбінації неосновних носіїв. Положення максимуму на спектральній характеристиці залежить від швидкості росту коефіцієнта поглинання, зі зменшенням довжини хвилі. При більшій швидкості зростання а максимум зміщається до довгохвильової границі.

У порівнянні з фоторезисторами ФД мають наступні особливості. Унаслідок лінійності світлової характеристики інтегральна чутливість ФД не залежить від прикладеної зворотної напруги. Виходячи з цього основним параметром ФД служить не питома, а просто інтегральна чутливість  _П=I_ф/Ф.

Рис. 8.

Фотодіоди мають інерційність. На інерційність ФД впливають час дифузії або дрейфу не основних носіїв через базу; час їхнього прольоту через перехід; час перезаряду бар'єрної ємності переходу (постійна часу rC_бар).

Наростання і спад фотоструму під дією світлових імпульсів відбуваються поступово. Зі збільшенням частоти-проходження світлових імпульсів фронт наростання фотоструму накладається на фронт спаду від попереднього імпульсу. При деякій частоті ФД не розрізняє окремі імпульси світла, фотострум через ФД стає постійним. Гранична частота більше у ФД з освітлюваною р-областью, тому що D_n> D_p. Для збільшення швидкодії зменшують товщину освітлюваної області до 3—5 мкм, використовуючи дифузійну технологію. Швидкодія зростає в дифузійній р-и-n-структуре з тонкою р-областью, при якій поглинання випромінювання відбувається в i-й шарі.

Високу швидкодію мають ФД із переходом Шоттки на основі контакту метал — напівпровідник, що дозволяє використовувати них для роботи при СВЧ модуляції світлового потоку.

Фотодіоди подібно фоторезисторам служать для формування електричних сигналів під дією оптичного випромінювання, тому як параметри ФД використовуються ті ж величини, що і для фоторезисторів: чутливість, гранична частота випромінювання граничний потік Прикладами промислових зразків ФД служать германієвий фотодіод ФД-2 c  _і 10 —20 мА/лм і кремнієвий ФКК-1 з  _і ==3 мА/лм. ФД застосовуються в пристроях введення і висновку інформації ЕОМ, фотометрії, в автоматиці.