Чувствительности фотодиода

Если к фотоэлементу, на фотокатод которого падает световой поток Ф ( 4.19), приложено анодное напряжение U&, то в цепи появится фототек /ф через нагрузочный резистор RH. Фототок, как следует из закона Столетова, при определенных условиях пропорционален световому потоку. Таким образом, энергетическая характеристика фототока вакуумного фотоэлемента практически линейна в большом диапазоне изменения световых потоков. При высоких значениях освещенностей энергетическая характеристика становится нелинейной, ее крутизна уменьшается из-за образования объемного заряда у поверхности фотокатода. Нелинейность энергетической характеристики фотоэлемента может явиться следствием «утомления» фотокатода, т. е. уменьшения чувствительности фотоэлемента при работе его в режиме нагрузки.

Спектральная характеристика определяет зависимость спектральной чувствительности фотоэлемента от длины волны светового потока 5х = f (А,) при неизменном напряжении между электродами. По этой характеристике определяют максимальную спектральную чувствительность фотоэлементов и ширину спектральной области, в которой он пригоден для работы.

значение которой зависит от степени перекрытия функций спектральной чувствительности фотоэлемента ух и спектральной плотности Рк лучистого потока ( 15.6) при номинальном значении внешнего напряжения.

Под действием светового потока, проникающего через полупрозрачный электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в /^-полупроводнике образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе р—п перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в /^-полупроводнике, заряжают его положительно. В результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

Так как различные фотоэлементы неодинаково реагируют на спектр излучения электрических источников света, то их обычно закрывают соответствующим светофильтром, который обеспечивает хорошее совпадение спектральной чувствительности фотоэлемента и человеческого глаза. В частности, при измерении освещенности от люминесцентных ламп фотоэлемент следует

Так как различные фотоэлементы неодинаково реагируют на спектр излучения электрических источников света, то их обычно закрывают соответствующим светофильтром, который обеспечивает хорошее совпадение спектральной чувствительности фотоэлемента и человеческого глаза. В частности, при измерении освещенности от люминесцентных ламп фотоэлемент следует

Использовать ФЭУ при измерении весьма малых световых сигналов следует только в тех случаях, когда пороговая чувствительность вакуумных фотоэлементов оказывается недостаточной, так как при больших световых сигналах порог чувствительности ФЭУ может стать больше (т. е. хуже) чувствительности фотоэлемента: при значительных световых потоках резко возрастают шумы, создаваемые токами эмиттеров ФЭУ.

Частотные характеристики фото •• элементов показывают зависимость чувствительности фотоэлемента от частоты изменения интенсивности светового потока, облучающего фотокатод. На 6-5 приведены для сравнения частотные характеристики электронного и ионного фотоэлементов. Чувствительность ионного фотоэлемента уменьшается при увеличении частоты за счет инерционности процессов ионизации и рекомбинации при газовом разряде, что связано с малой подвижностью ионов. Характеристика электронного фотоэлемента остается линейной вплоть до частот 109 Гц; снижение чувствительности за этой границей объясняется влиянием времени пролета электронов при очень больших частотах изменения интенсивности светового потока.

Частотные характеристики фото •• элементов показывают зависимость чувствительности фотоэлемента от частоты изменения интенсивности светового потока, облучающего фотокатод. На 6-5 приведены для сравнения частотные характеристики электронного и ионного фотоэлементов. Чувствительность ионного фотоэлемента уменьшается при увеличении частоты за счет инерционности процессов ионизации и рекомбинации при газовом разряде, что связано с малой подвижностью ионов. Характеристика электронного фотоэлемента остается линейной вплоть до частот 109 Гц; снижение чувствительности за этой границей объясняется влиянием времени пролета электронов при очень больших частотах изменения интенсивности светового потока.

Она зависит от нагрузочного сопротивления RH и при некотором /?н достигает максимального значения. Отношение этой мощности к мощности падающего излучения представляет собой к. п. д. преобразователя. Он зависит от степени перекрытия области спектральной чувствительности фотоэлемента и спектра солнечного света, от внутреннего сопротивления фотоэлемента и других факторов. Световая характеристика фотоэлемента, выражающая зависимость силы тока в цепи от мощности светового потока, в общем случае нелинейная.

источник коллекторного напряжения включают так, чтобы коллектор имел отрицательный относительно эмиттера потенциал (схема с ОЭ). Световой поток Ф падает на базовую область, поэтому эмиттер делают тонким и небольших размеров. Под действием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда — электроны и дырки. В транзисторе типа р-п-р неосновные носители заряда в базе (дырки) движутся через коллекторный переход, поле которого является для них ускоряющим, на коллектор, создавая фототок /ф. Электроны, остающиеся в базе, воздействуют на эмиттер-ный переход, уменьшая высоту потенциального барьера, что способствует переходу дырок из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая усиление фототока. Для регулирования чувствительности в базовую цепь иногда включают напряжение смещения. Если чувствительность не регулируется, то базовый вывод остается свободным (см. 8.6,6). Чувствительность биполярного фототранзистора значительно выше чувствительности фотодиода и составляет 0,5 — 1 А/лм.

Чувствительность фототранзистора, таким образом, значительно выше чувствительности фотодиода. Вольт-амперные характеристики фототранзистора с оборванной базой аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ ( 17.28). Основным параметром прибора является световой поток Ф. Частотные характеристики фототранзисторов хуже, чем для фотодиодов, из-за инерционности эмиттерного перехода за счет его емкости. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения. Поэтому одним из основных параметров фотодиода является не удельная интегральная чувствительность, а просто интегральная чувствительность:

(5.40). Снижение чувствительности в области коротких волн связано с тем, что при уменьшении длины волны энергия излучения поглощается в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации за счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Таким образом, коротковолновая граница чувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая толщину базы и скорость рекомбинации, можно сдвигать коротковолновую границу чувствительности фотодиода в сторону уменьшения длины волны. Спад чувствительности в области длинных волн соответствует длинноволновой границе спектральной чувствительности материала.

коллектора и создают ток через нагрузку. Объемный заряд электронов в базе уменьшает потенциальный барьер на p-n-переходе эмиттер — база и способствует переходу дырок из области эмиттера в область базы. За счет усилительного действия ФТ чувствительность его выше чувствительности фотодиода (ФД). Кроме схемы со свободным потенциалом базы, ФТ используют и в схемах, в которых электрод базы электрически соединен с каким-либо элементом схемы. На схемах ФТ обозначают в соответствии с 2.16, б. Спектральные характеристики ФТ близки к характеристикам ФД. ФТ типа ФТ-1 обладает следующими данными: рабочее напряжение порядка 3В, темновой ток при рабочем напряжении около 300 мкА, интегральная чувствительность 170—500 мА/лм, наибольший ток при освещении порядка 20 мА, наибольшее рабочее напряжение около 20 В, максимальная мощность рассеяния порядка 50 мВт, сопротивление нагрузки около 500 Ом.

Чувствительность фототранзистора, таким образом, значительно выше чувствительности фотодиода. Вольт-амперные характеристики фототранэистора с оборванной базой аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ ( 1.52). Основным параметром прибора является световой поток Ф. Частотные характеристики фототранзисторов хуже, чем для фотодио-

Если в фотодиоде есть защитное окно, то необходимо правую часть (4.6) умножить на коэффициент пропускания окна. Для увеличения чувствительности фотодиода можно использовать эффект лавинного умножения в области объемного заряда р — п-перехода.

где g — крутизна характеристики. Таким образом, ток /ф усиливается в gR3 раз. Во столько же раз чувствительность полевого фототранзистора выше чувствительности фотодиода. Увеличивая R3, можно повысить чувствительность фототранзистора, однако при этом растет и постоянная времени т^с = R3C3_и, т. е. ухудшается быстродействие прибора.

Чувствительность и быстродействие фотодиодов могут значительно ограничиваться свойствами поверхности [24]. Влияние поверхностной рекомбинации на характеристики чувствительности фотодиода тем больше, чем глубже расположен р—«-переход и чем меньше длина волны излучения Я. Чем больше значение s, тем при более мелких глубинах залегания перехода начинается спад чувствительности диода.

Спектральные характеристики чувствительности фотодиода, полученного методом двухступенчатой диффузии, показаны на 6.4 [80]. Концентрация бора на поверхности составляет

Для увеличения чувствительности фотодиода может использоваться эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда р—«-перехода (§ 1.11). Например, в фотодиоде, показанном на 2.15,6 при напряжении, близком к. напряжению лавинного пробоя ^лроб, происходит умножение тока дырок, диффундирующих из «-области к р+—«-переходу. Коэффициент