ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ
22
УДК 681.78
Г. Г. ИШАНИН, В. П. ЧЕЛИБАНОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ
Рассматриваются особенности работы фотодиодов на основе p—n-перехода в фотогальваническом (ФГ) и фотодиодном (ФД) режимах. Выводится выражение для полного тока фотодиода. Проанализированы достоинства и недостатки работы фотодиодов в ФГ- и ФД-режимах. Ключевые слова: фотодиод, вольтовая чувствительность, фотогальванический режим, фотодиодный режим.
Фотодиодами (ФД) называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость p—n-перехода, в которых при облучении появляется ЭДС (фотогальванический режим). В случае, когда к фотодиоду прикладывается питающее обратное напряжение, при облучении ФД появляется обратный ток неосновных носителей и реализуется фотодиодный режим. Фотодиоды изготавливают на основе гомогенного перехода (p—n-переход, образованный на границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа). Возможно изготовление ФД и на основе гетерогенного перехода (p—n-переход, образованный на границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа), барьера Шоттки (контактный барьер, образующийся на границе „металл—n-полупроводник“ или „металл—p-полупроводник“).
Рассмотрим особенности работы фотодиодов на основе p—n-переходов в фотогальваническом (ФГ) режиме [1]. После спекания n- и p-полупроводников начинается процесс диффузии основных носителей nn и pp в противоположные области (в которых они становятся
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 23
неосновными np и pn), при этом появляются диффузионные токи основных носителей I′nn и
I′pp (рис. 1). Количество носителей, диффундирующих из n-области в р-область и, наоборот, в ФД, зависит от их концентрации в соответствующих областях.
Образующаяся после диффузии контактная разность потенциалов Uk приводит к возникновению дрейфовых обратных токов неосновных носителей Inp и Ipn.
Направление токов основных носителей I′nn и I′pp одинаково, так как дырочный ток — это условное понятие. То же можно сказать и о токах неосновных носителей Inp и Ipn, которые возникают под действием контактной разности потенциалов Uk. В установившемся режиме при отсутствии облучения токи основных носителей уравновешиваются токами неосновных
носителей и сумма токов равна нулю:
I′nn + I′pp – Inp – Ipn = 0,
(1)
где I′nn и I′pp — токи основных носителей в отсутствие облучения фотодиода; Inp и Ipn — обратные дрейфовые токи неосновных носителей, вызванные контактной разностью потенциа-
лов Uk.
Uk
р—п-переход
рп
I′nn + I′pp
х
Inp + Ipn
Рис. 1
Число носителей, перешедших в противоположные области, определяется следующим
образом:
np = nn exp[−eUk /(kT )], pn = pp exp[−eUk /(kT )],
(2)
где np — число электронов, перешедших в р-область из n-области за счет диффузии, рn — число дырок, перешедших в n-область за счет диффузии, nn и pp — концентрация основных носителей в соответствующих областях; e = 1,6 ⋅10−19 [А ⋅ с] — заряд электрона; k = 1,38⋅10–23 [Дж⋅К–1] — по-
стоянная Больцмана; Т [К] — температура полупроводников и р—n-перехода. Умножив вы-
ражения (2) на заряд электрона, получим:
In′n = Inp = enn exp[−eUk /(kT )], I ′pp = I pn = epp exp[−eUk /(kT )],
(3)
а контактная разность потенциалов будет равна:
Uk = (kT / e)ln(nn / np ) = (kT / e)ln( pp / pn ).
(4)
Из полученных выражений можно сделать вывод, что „темновые“ токи основных и не-
основных носителей и Uk зависят от абсолютной температуры полупроводника. При облучении фотодиода с включенной нагрузкой через последнюю потечет фототок
неосновных носителей, для которых Uk является ускоряющим, а для основных носителей — запирающим (рис. 2). Направление фототока Iф = SiФ совпадает с „темновыми“ токами неосновных носителей (Si [А/Вт] — токовая чувствительность фотодиода в ФГ-режиме, Ф — поток излучения).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
24 Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
Падение напряжения (URн > 0) на сопротивлении нагрузки (Rн) вычитается из контактной разности потенциалов, что приводит к увеличению токов основных носителей (рис. 2):
Inn = enn exp[−e(Uk −URн ) / (kT )], I pp = epp exp[−e(Uk −U Rн ) / (kT )],
(5)
или, с учетом (3),
Inn = Inp exp⎣⎡eU Rн (kT )⎤⎦ ,
(6)
I pp = I pn exp ⎣⎡eU Rн (kT )⎦⎤ .
Uk
(7)
р Ipp
Inn
п
IΦ1
IΦ2 Ipn Inp
∞
∑IΦ = IΦi i =1
Φ x
Rn
IΦ URн
Рис. 2
Представим соотношение для суммарного тока, протекающего через р—n-переход:
I = Inn + Ipp – Inp – Ipn – IΦ, или
I = Inp exp⎣⎡eURн (kT )⎤⎦ + I pn exp⎣⎡eURн (kT )⎤⎦ − Inp − I pn − IΦ =
( ) ( )= Inp exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 + I pn exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 − IΦ =
( )= (Inp + I pn ) exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 − IФ.
(8)
Сумма „темновых“ токов Inp + Ipn обозначается через Is и выражение для полного тока будет выглядеть следующим образом:
I = Is (exp[eURн / (kT)] – 1) – IФ. При Rн → ∞ суммарный ток I = 0, а URн = Uxx (напряжение холостого хода), т.е.:
0 = Is (exp[eUxx (kT )] −1) − Iф.
(9)
После преобразований найдем напряжение холостого хода:
U хх
=
kT e
ln
⎛ ⎝⎜
Iф Is
+ 1⎠⎞⎟
=
kT e
ln ⎝⎜⎛
Si Ф Is
+ 1⎠⎟⎞.
(10)
Напряжение холостого хода (фотоЭДС) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с
ростом потока излучения по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, рав-
ного контактной разности потенциалов p—n-перехода. Зависимость Uхх = f(Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдается только на на-
чальном участке при Iф = Is. Продифференцируем полученное выражение и найдем экстремум функции для максимальной вольтовой чувствительности
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 25
SU max
=
dU хх dФ
=
kT e
1 Si
⎜⎝⎛
Si Ф Is
+ 1⎠⎟⎞
Is
=
kT e
Si (Si Фmax + Is )
=
=
kT eI s
(Si
Si Is Фmax +
Is )
=
R0
⎡ ⎢⎣ Si
Si Is Фmax +
Is
⎤ ⎦⎥
,
(11)
где
R0
=
kT eI s
— сопротивление p—n-перехода в отсутствие облучения.
Преобразовав (11), получим выражение для максимальной вольтовой чувствительности
фотодиода в фотогальваническом режиме, зависящее также от температуры. Для комнатной
температуры kT/e= 0,025, поэтому получим:
SUmax = 0,025[Si/(SiФmax + Is)].
(12)
В фотодиодном режиме (рис. 3) напряжение питания подается в обратном направлении.
Падение напряжения на нагрузке URн вычитается из Uп, которое складывается с контактной разностью потенциалов:
( )I = Is
exp
e(U R − kT
U
)
−
1
− IΦ,
(13)
где U — напряжение внешнего источника питания.
Uk
р Ipp
п IΦ1
Φ
Inn IΦ2
Ipn Inp
∞x
∑Uп
IΦ = IΦi
i =1
Rn
URн
Рис. 3
На рис. 4 приведены вольт-амперные характеристики фотодиода [2]: а — фотодиодный
и фотогальванический режим в четырех квадрантах; б — фотодиодный; в — фотогальваниче-
ский режим.
Как следует из соотношения (13), напряжение питания складывается с контактной раз-
ностью потенциалов в диодном режиме. В этом случае сопротивление р—n-перехода увели-
чивается, переход расширяется и ускоряющее поле для неосновных носителей становится
примерно равным U. Для основных носителей U является тормозящим и токи основных но-
сителей стремятся к нулю: Inn =Ipp → 0. Суммарный ток I = IФ +Is или с учетом того, что IФ = Si Ф, получим: I = SiФ + Is.
tgα = 1/Rн = 1/(U н/Iн)= Iн/Uн,
где α — угол наклона прямой для выбранного Rн Напряжение на нагрузке будет:
(14)
URн= IRн = SiФRн + IsRн.
(15)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
26 Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
Найдем вольтовую чувствительность фотодиода в диодном режиме
SU
=
dU н dΦ
=
Si Rн.
(16)
Как следует из полученного выражения, значение SU будет тем больше, чем выше сопротивление нагрузки, которое зависит от регистрируемого потока излучения.
а) I, мкА
Нерабочий режим
Нерабочий режим
Φ=0 Φ=50 мкВт –0,1 –0,05 0
0,05 0,1 U, В
Φ=250 мкВт
Rн=660 Ом
Φ=1250 мкВт –500 Область
фотодиодного режима
Φ=2500 мкВт –1000
Область фотогальванического
режима Rн=60 Ом
б) I, мкА
1000
Φ=2500 мкВт Rн=15 кОм
в) I, мкА
R=0
Φ3
R1
Φ=1250 мкВт
I
500 Φ2
R2>R1
Rн=60 кОм Φ=250 мкВт
Φ=50 мкВт
α
0 Φ=0
5
10 15 U, В
Φ1 α
Рис. 4
U1=IR1
Rн=∞ Uхх
U, В
Для того чтобы ФД работал в линейном режиме и небольшие колебания напряжения
питания не вызывали изменения фототока, нагрузочные прямые проводятся из точки Uп в
точку перегиба вольтовой характеристики для максимального регистрируемого потока излу-
чения. Максимальное сопротивление должно быть согласовано с регистрируемым потоком
излучения:
Rнmax = Uп/(IФ + Is) = Uп/(SiФ + Is),
(17)
откуда
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 27
SUmax = Si Uп/(SiФ + Is).
(18)
Найдем соотношение вольтовой чувствительности в фотодиодном (18) и фотогальваническом (12) режимах:
SU max ФД SU max ФГ
=
SiUп / (kT / e)[S
(Si Фmax + Is ) I / (Si Фmax + I
s
)]
=
U kT
п
/
e
.
(19)
Напряжение питания ФД примерно равно 15 В, kT/e= 0,025, откуда получим:
SUmax ФД / SUmax ФГ = 15:0,025 ≅600.
Рассмотрим особенности использования ФГ- и ФД-режимов. Достоинства фотогальванического режима
1. Отсутствие источников питания. 2. Малые собственные шумы. 3. Малый пороговый поток. Недостатки фотогальванического режима 1. Нелинейная логарифмическая зависимость сигнала от потока излучения. 2. Малое внутреннее сопротивление, что требует использования усилительного тракта с низкоомным входом. 3. Вольтовая чувствительность более чем на два порядка ниже по сравнению с ФДрежимом. 4. Большая постоянная времени по сравнению с ФД-режимом. 5. Для реализации пороговых возможностей ФД в ФГ-режиме требуются большие коэффициенты усиления усилительного тракта с малыми собственными шумами и тепловыми шумами нагрузочного сопротивления, которое приходится охлаждать. Достоинства фотодиодного режима 1. Большая вольтовая чувствительность. 2. Большое внутреннее сопротивление фотодиода, что позволяет использовать соизмеримое с ним внутреннее сопротивление усилительного тракта. 3. Небольшие, по сравнению с ФГ-режимом, коэффициенты усиления усилительного тракта. 4. Меньшая постоянная времени ФД вследствие значительного приложенного напряжения питания, которое ускоряет образовавшиеся при облучении носители тока. 5. Больший, по сравнению с ФГ-режимом, спектральный диапазон работы. 6. Выходной сигнал линеен в широком динамическом диапазоне облученности. Недостатки фотодиодного режима 1. Необходимость в источнике питания. 2. Наличие обратного тока источника питания, который приводит к увеличению всех собственных шумов ФД, к которым добавляются шумы источника питания. 3. Меньшая предельная обнаружительная способность, по сравнению с ФГ-режимом без охлаждения. Необходимо анализировать условия использования фотогальванического и фотодиодного режимов ФД. Критериями для выбора режима являются: вольтовая чувствительность, постоянная времени и наличие напряжения питания. При использовании ФД на производстве и в бытовой технике чаще выбирают фотодиодный режим из-за высокой вольтовой чувствительности. В космической технике из-за необходимости наличия напряжения питания ФД можно использовать фотогальванический режим, однако следует иметь в виду, что постоянная времени приемников в этом случае больше.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
28 М. Г. Серикова, Е. Г. Лебедько
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челибанов В. П. Приемники излучения: Учеб. пособие для вузов. СПб: Папирус, 2003. 527 с.
2. Цуккерман С. Т., Гридин А. С. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 197 с.
Геннадий Григорьевич Ишанин Владимир Петрович Челибанов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: Ishanin@mail.ru — канд. хим. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра ЭПиМ; E-mail: chelibanov@gmail.com
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
УДК 681.78
Г. Г. ИШАНИН, В. П. ЧЕЛИБАНОВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ
Рассматриваются особенности работы фотодиодов на основе p—n-перехода в фотогальваническом (ФГ) и фотодиодном (ФД) режимах. Выводится выражение для полного тока фотодиода. Проанализированы достоинства и недостатки работы фотодиодов в ФГ- и ФД-режимах. Ключевые слова: фотодиод, вольтовая чувствительность, фотогальванический режим, фотодиодный режим.
Фотодиодами (ФД) называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость p—n-перехода, в которых при облучении появляется ЭДС (фотогальванический режим). В случае, когда к фотодиоду прикладывается питающее обратное напряжение, при облучении ФД появляется обратный ток неосновных носителей и реализуется фотодиодный режим. Фотодиоды изготавливают на основе гомогенного перехода (p—n-переход, образованный на границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа). Возможно изготовление ФД и на основе гетерогенного перехода (p—n-переход, образованный на границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа), барьера Шоттки (контактный барьер, образующийся на границе „металл—n-полупроводник“ или „металл—p-полупроводник“).
Рассмотрим особенности работы фотодиодов на основе p—n-переходов в фотогальваническом (ФГ) режиме [1]. После спекания n- и p-полупроводников начинается процесс диффузии основных носителей nn и pp в противоположные области (в которых они становятся
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 23
неосновными np и pn), при этом появляются диффузионные токи основных носителей I′nn и
I′pp (рис. 1). Количество носителей, диффундирующих из n-области в р-область и, наоборот, в ФД, зависит от их концентрации в соответствующих областях.
Образующаяся после диффузии контактная разность потенциалов Uk приводит к возникновению дрейфовых обратных токов неосновных носителей Inp и Ipn.
Направление токов основных носителей I′nn и I′pp одинаково, так как дырочный ток — это условное понятие. То же можно сказать и о токах неосновных носителей Inp и Ipn, которые возникают под действием контактной разности потенциалов Uk. В установившемся режиме при отсутствии облучения токи основных носителей уравновешиваются токами неосновных
носителей и сумма токов равна нулю:
I′nn + I′pp – Inp – Ipn = 0,
(1)
где I′nn и I′pp — токи основных носителей в отсутствие облучения фотодиода; Inp и Ipn — обратные дрейфовые токи неосновных носителей, вызванные контактной разностью потенциа-
лов Uk.
Uk
р—п-переход
рп
I′nn + I′pp
х
Inp + Ipn
Рис. 1
Число носителей, перешедших в противоположные области, определяется следующим
образом:
np = nn exp[−eUk /(kT )], pn = pp exp[−eUk /(kT )],
(2)
где np — число электронов, перешедших в р-область из n-области за счет диффузии, рn — число дырок, перешедших в n-область за счет диффузии, nn и pp — концентрация основных носителей в соответствующих областях; e = 1,6 ⋅10−19 [А ⋅ с] — заряд электрона; k = 1,38⋅10–23 [Дж⋅К–1] — по-
стоянная Больцмана; Т [К] — температура полупроводников и р—n-перехода. Умножив вы-
ражения (2) на заряд электрона, получим:
In′n = Inp = enn exp[−eUk /(kT )], I ′pp = I pn = epp exp[−eUk /(kT )],
(3)
а контактная разность потенциалов будет равна:
Uk = (kT / e)ln(nn / np ) = (kT / e)ln( pp / pn ).
(4)
Из полученных выражений можно сделать вывод, что „темновые“ токи основных и не-
основных носителей и Uk зависят от абсолютной температуры полупроводника. При облучении фотодиода с включенной нагрузкой через последнюю потечет фототок
неосновных носителей, для которых Uk является ускоряющим, а для основных носителей — запирающим (рис. 2). Направление фототока Iф = SiФ совпадает с „темновыми“ токами неосновных носителей (Si [А/Вт] — токовая чувствительность фотодиода в ФГ-режиме, Ф — поток излучения).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
24 Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
Падение напряжения (URн > 0) на сопротивлении нагрузки (Rн) вычитается из контактной разности потенциалов, что приводит к увеличению токов основных носителей (рис. 2):
Inn = enn exp[−e(Uk −URн ) / (kT )], I pp = epp exp[−e(Uk −U Rн ) / (kT )],
(5)
или, с учетом (3),
Inn = Inp exp⎣⎡eU Rн (kT )⎤⎦ ,
(6)
I pp = I pn exp ⎣⎡eU Rн (kT )⎦⎤ .
Uk
(7)
р Ipp
Inn
п
IΦ1
IΦ2 Ipn Inp
∞
∑IΦ = IΦi i =1
Φ x
Rn
IΦ URн
Рис. 2
Представим соотношение для суммарного тока, протекающего через р—n-переход:
I = Inn + Ipp – Inp – Ipn – IΦ, или
I = Inp exp⎣⎡eURн (kT )⎤⎦ + I pn exp⎣⎡eURн (kT )⎤⎦ − Inp − I pn − IΦ =
( ) ( )= Inp exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 + I pn exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 − IΦ =
( )= (Inp + I pn ) exp⎡⎣eURн (kT )⎦⎤ −1 − IФ.
(8)
Сумма „темновых“ токов Inp + Ipn обозначается через Is и выражение для полного тока будет выглядеть следующим образом:
I = Is (exp[eURн / (kT)] – 1) – IФ. При Rн → ∞ суммарный ток I = 0, а URн = Uxx (напряжение холостого хода), т.е.:
0 = Is (exp[eUxx (kT )] −1) − Iф.
(9)
После преобразований найдем напряжение холостого хода:
U хх
=
kT e
ln
⎛ ⎝⎜
Iф Is
+ 1⎠⎞⎟
=
kT e
ln ⎝⎜⎛
Si Ф Is
+ 1⎠⎟⎞.
(10)
Напряжение холостого хода (фотоЭДС) ФД в фотогальваническом режиме изменяется с
ростом потока излучения по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, рав-
ного контактной разности потенциалов p—n-перехода. Зависимость Uхх = f(Ф) — сложная и нелинейная, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность наблюдается только на на-
чальном участке при Iф = Is. Продифференцируем полученное выражение и найдем экстремум функции для максимальной вольтовой чувствительности
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 25
SU max
=
dU хх dФ
=
kT e
1 Si
⎜⎝⎛
Si Ф Is
+ 1⎠⎟⎞
Is
=
kT e
Si (Si Фmax + Is )
=
=
kT eI s
(Si
Si Is Фmax +
Is )
=
R0
⎡ ⎢⎣ Si
Si Is Фmax +
Is
⎤ ⎦⎥
,
(11)
где
R0
=
kT eI s
— сопротивление p—n-перехода в отсутствие облучения.
Преобразовав (11), получим выражение для максимальной вольтовой чувствительности
фотодиода в фотогальваническом режиме, зависящее также от температуры. Для комнатной
температуры kT/e= 0,025, поэтому получим:
SUmax = 0,025[Si/(SiФmax + Is)].
(12)
В фотодиодном режиме (рис. 3) напряжение питания подается в обратном направлении.
Падение напряжения на нагрузке URн вычитается из Uп, которое складывается с контактной разностью потенциалов:
( )I = Is
exp
e(U R − kT
U
)
−
1
− IΦ,
(13)
где U — напряжение внешнего источника питания.
Uk
р Ipp
п IΦ1
Φ
Inn IΦ2
Ipn Inp
∞x
∑Uп
IΦ = IΦi
i =1
Rn
URн
Рис. 3
На рис. 4 приведены вольт-амперные характеристики фотодиода [2]: а — фотодиодный
и фотогальванический режим в четырех квадрантах; б — фотодиодный; в — фотогальваниче-
ский режим.
Как следует из соотношения (13), напряжение питания складывается с контактной раз-
ностью потенциалов в диодном режиме. В этом случае сопротивление р—n-перехода увели-
чивается, переход расширяется и ускоряющее поле для неосновных носителей становится
примерно равным U. Для основных носителей U является тормозящим и токи основных но-
сителей стремятся к нулю: Inn =Ipp → 0. Суммарный ток I = IФ +Is или с учетом того, что IФ = Si Ф, получим: I = SiФ + Is.
tgα = 1/Rн = 1/(U н/Iн)= Iн/Uн,
где α — угол наклона прямой для выбранного Rн Напряжение на нагрузке будет:
(14)
URн= IRн = SiФRн + IsRн.
(15)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
26 Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
Найдем вольтовую чувствительность фотодиода в диодном режиме
SU
=
dU н dΦ
=
Si Rн.
(16)
Как следует из полученного выражения, значение SU будет тем больше, чем выше сопротивление нагрузки, которое зависит от регистрируемого потока излучения.
а) I, мкА
Нерабочий режим
Нерабочий режим
Φ=0 Φ=50 мкВт –0,1 –0,05 0
0,05 0,1 U, В
Φ=250 мкВт
Rн=660 Ом
Φ=1250 мкВт –500 Область
фотодиодного режима
Φ=2500 мкВт –1000
Область фотогальванического
режима Rн=60 Ом
б) I, мкА
1000
Φ=2500 мкВт Rн=15 кОм
в) I, мкА
R=0
Φ3
R1
Φ=1250 мкВт
I
500 Φ2
R2>R1
Rн=60 кОм Φ=250 мкВт
Φ=50 мкВт
α
0 Φ=0
5
10 15 U, В
Φ1 α
Рис. 4
U1=IR1
Rн=∞ Uхх
U, В
Для того чтобы ФД работал в линейном режиме и небольшие колебания напряжения
питания не вызывали изменения фототока, нагрузочные прямые проводятся из точки Uп в
точку перегиба вольтовой характеристики для максимального регистрируемого потока излу-
чения. Максимальное сопротивление должно быть согласовано с регистрируемым потоком
излучения:
Rнmax = Uп/(IФ + Is) = Uп/(SiФ + Is),
(17)
откуда
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах 27
SUmax = Si Uп/(SiФ + Is).
(18)
Найдем соотношение вольтовой чувствительности в фотодиодном (18) и фотогальваническом (12) режимах:
SU max ФД SU max ФГ
=
SiUп / (kT / e)[S
(Si Фmax + Is ) I / (Si Фmax + I
s
)]
=
U kT
п
/
e
.
(19)
Напряжение питания ФД примерно равно 15 В, kT/e= 0,025, откуда получим:
SUmax ФД / SUmax ФГ = 15:0,025 ≅600.
Рассмотрим особенности использования ФГ- и ФД-режимов. Достоинства фотогальванического режима
1. Отсутствие источников питания. 2. Малые собственные шумы. 3. Малый пороговый поток. Недостатки фотогальванического режима 1. Нелинейная логарифмическая зависимость сигнала от потока излучения. 2. Малое внутреннее сопротивление, что требует использования усилительного тракта с низкоомным входом. 3. Вольтовая чувствительность более чем на два порядка ниже по сравнению с ФДрежимом. 4. Большая постоянная времени по сравнению с ФД-режимом. 5. Для реализации пороговых возможностей ФД в ФГ-режиме требуются большие коэффициенты усиления усилительного тракта с малыми собственными шумами и тепловыми шумами нагрузочного сопротивления, которое приходится охлаждать. Достоинства фотодиодного режима 1. Большая вольтовая чувствительность. 2. Большое внутреннее сопротивление фотодиода, что позволяет использовать соизмеримое с ним внутреннее сопротивление усилительного тракта. 3. Небольшие, по сравнению с ФГ-режимом, коэффициенты усиления усилительного тракта. 4. Меньшая постоянная времени ФД вследствие значительного приложенного напряжения питания, которое ускоряет образовавшиеся при облучении носители тока. 5. Больший, по сравнению с ФГ-режимом, спектральный диапазон работы. 6. Выходной сигнал линеен в широком динамическом диапазоне облученности. Недостатки фотодиодного режима 1. Необходимость в источнике питания. 2. Наличие обратного тока источника питания, который приводит к увеличению всех собственных шумов ФД, к которым добавляются шумы источника питания. 3. Меньшая предельная обнаружительная способность, по сравнению с ФГ-режимом без охлаждения. Необходимо анализировать условия использования фотогальванического и фотодиодного режимов ФД. Критериями для выбора режима являются: вольтовая чувствительность, постоянная времени и наличие напряжения питания. При использовании ФД на производстве и в бытовой технике чаще выбирают фотодиодный режим из-за высокой вольтовой чувствительности. В космической технике из-за необходимости наличия напряжения питания ФД можно использовать фотогальванический режим, однако следует иметь в виду, что постоянная времени приемников в этом случае больше.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
28 М. Г. Серикова, Е. Г. Лебедько
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челибанов В. П. Приемники излучения: Учеб. пособие для вузов. СПб: Папирус, 2003. 527 с.
2. Цуккерман С. Т., Гридин А. С. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 197 с.
Геннадий Григорьевич Ишанин Владимир Петрович Челибанов
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-
следовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: Ishanin@mail.ru — канд. хим. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра ЭПиМ; E-mail: chelibanov@gmail.com
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4