O fotodiodă semiconductor este o diodă semiconductor, a cărei inversare depinde de iluminare.
Principalele caracteristici și parametri ai fotodiodului sunt.
^ Volt-ampere caracteristică. În funcție de modul de funcționare, caracteristica volt-ampere a unei fotodiode este descrisă de expresii (30), (31). Aceste ecuații reprezintă dependența curentului de tensiunea pe fotodiodă pentru diferite valori ale fluxului luminos, adică este ecuația familiei caracteristicilor fotodiodă I-V prezentate în figura 9.
Familia BAX a fotodiodei este situat în cadranele I, III și IV, figura 9. Cadranul I - aceasta nu este o zonă de lucru pentru fotodiodă: în acest cadran la joncțiunea tactul este aplicată înainte de tensiune, iar componenta curentului de difuzie suprimă fotocurentul. Ca urmare, controlul curentului prin fotodiodă prin intermediul radiației electromagnetice devine imposibilă.
Cuadrantul III este zona fotodiodă a fotocelulei. O tensiune inversă se aplică la joncțiunea pn. Trebuie subliniat faptul că în domeniul de operare al tensiunilor inverse, fluxul fotografic este practic independent de tensiunea inversă și rezistența la sarcină.
Astfel, în modul fotodiodă cu o valoare dată a fluxului de lumină, fotodioda este o sursă de curent.
Familia Quadrant IV a caracteristicilor volt-amper ale fotodiodului corespunde modului fotovoltaic de operare a fotodiodului. Prin punctele de intersecție a caracteristicilor volt-ampere cu axa de tensiune, este posibilă determinarea valorilor tensiunii fotoelectrice (tensiune fără sarcină) pentru diferite fluxuri de lumină. În diodele de siliciu, valoarea fotografiei-emf este de 0,50-0,55 V. Punctul de intersecție a caracteristicilor de tensiune curentă cu axa curenților corespunde valorilor curenților de scurtcircuit. Cu o valoare dată curentă bazată pe caracteristicile de tensiune curentă ale fotodiodelor, este posibil să se selecteze modul optim de operare a fotodiodelor în modul fotovoltaic. În cadrul regimului optim în acest caz se înțelege alegerea unei astfel de rezistențe la sarcină, la care se va transmite cea mai mare putere electrică. Pentru fotodiodele de siliciu cu sarcină optimă, tensiunea la fotodiodă (sarcină) V = 0,35-0,4 V.
Caracteristică energetică (lumină). Este o dependență a curentului care trece prin fotodiodă de fluxul de lumină. care cade pe suprafața fotodiodului.
Această dependență este liniară, deoarece grosimea bazei fotodiodei este mai mică decât lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari. În consecință, aproape toate generate optic purtători minoritari în baza diodei pentru a ajunge la p-n joncțiune, care participă la formarea fotocurentului. Pierderea de purtători minoritari asupra recombinarea în baza și pe suprafața sa sunt practic independente de fluxul luminos datorită concentrației scăzute de impurități necontrolate care acționează ca capcane pentru capcane și recombinare.
Datorită liniarității caracteristicii de lumină a fotodiodei, sensibilitatea sa integrală este independentă de tensiunea inversă aplicată. Prin urmare, principala caracteristică a unei fotodiode este sensibilitatea integrală:
În modul fotovoltaic, caracteristicile energetice sunt reprezentate de dependența curentului de scurtcircuit sau a forței foto-electromotoare de fluxul de radiație. La fluxurile mari, legea variației acestor dependențe se abate substanțial de cea liniară. Apariția neliniarității dependenței curentului de scurtcircuit este legată de creșterea căderii de tensiune pe rezistența în vrac a bazei fotodiodă. Scăderea emf-ului fotoelectric se datorează scăderii înălțimii barierului potențial când se acumulează încărcătura de electroni în exces în regiunea n și găurile din regiunea p; ca o consecință a acestui proces, domeniul joncțiunii pn este mai slab separat de fotocariere, iar creșterea puterii fotoelectrice scade odată cu creșterea fluxului de lumină.
^ Caracteristică spectrală. Este dependența sensibilității fotodiodei, determinată de ecuația (43), de lungimea de undă a radiației.
Actuala diferite caracteristici spectrale de teoretic. Sensibilitate redusa la lungimi de undă mici, datorită faptului că o scădere a lungimii de undă de fotoni de lumină sunt absorbite într-un strat subțire de suprafață în cazul în care rata de recombinare datorită capcana semnificativ mai mare decât adâncimea materialului. Astfel, limita de scurtă lungime de undă a sensibilității fotodioda depinde de grosimea bazei și viteza de recombinare de suprafață. Reducerea grosimii bazei și a ratei de recombinare se poate modifica limita de lungime de undă scurtă de sensibilitate a fotodiodei în direcția descrescătoare lungimii de undă. Scăderea sensibilității în valuri lungime de undă lungă corespunde cu limita sensibilitatea spectrală a materialului.
Poziția maximului pe caracteristica spectrală a fotodiodului depinde puternic de caracteristica spectrală a coeficientului de absorbție a materialului pe baza căruia se face fotodioda. În cazul în care coeficientul de absorbție scade brusc odată cu scăderea radiației electromagnetice de lungime de undă, cum ar fi germaniu, este determinată de poziția bandgap maximă (pentru Ge) și grosimea de bază este practic independentă. Dacă dependența coeficientului de absorbție pe lungime de undă este slabă, ca de exemplu în siliciu, răspunsul spectral maximă poate fi deplasată atunci când schimbarea bazei și grosimea vitezei de recombinare de suprafață. Astfel, caracteristica spectrală maximă a unei fotodioduri de siliciu poate fi variată în intervalul de la 0,6 până la 1 pm.
Raspuns rapid al fotodiodei. Viteza de fotodiodei este determinată, pe procesele de o parte, de separare a transportatorilor care apar la absorbția câmpului de radiație al joncțiunii pn, pe de altă parte - capacitatea de joncțiune pn. Separarea fotocarrierilor de câmpul joncțiunii pn are loc după ce fotocarrierul (gaura sau electronul) corespunzător de la locul de generare difuzează în joncțiunea pn. Timpul de zbor al transportatorilor de sarcină prin intersecția pn:
unde este lățimea joncțiunii pn; Este viteza maximă de rulare a suporturilor de încărcare.
În Germania și siliciu. iar lățimea joncțiunii pn, care depinde de tensiunea din spate și de concentrația de impurități din bază, este de obicei mai mică de 5 m. În consecință, timpul de tranzit al transportatorilor de sarcină prin joncțiunea pn este ns.
Durata reîncărcării capacității de barieră a unei fotodiode cu o rezistență mică la sarcină este determinată de constanta de timp. Valoarea constantei de timp pentru fotodiodele conventionale este de aproximativ 1 ns.
După cum arată calculele, viteza fotodiodelor este determinată în principal de durata difuziei fotocarrierilor la joncțiunea pn.
În regimul fotodiodă, creșterea curentă prin joncțiunea pn este descrisă de ecuația:
unde este valoarea staționară a fluxului fotografic; - timpul de zbor al transportatorilor minoritari în n-baza.
Când radiația electromagnetică este oprită, procesul de dispariție a purtătorilor de sarcină minoritară este determinat de scăparea lor prin joncțiunea pn, în timp ce curentul prin fotodiodă cade în conformitate cu legea
În modul fotodiodă, parametrul determină timpul de difuzie al suporturilor de încărcare de la zona de generare până la joncțiunea pn. Pentru fotodiodele bazate pe siliciu, timpul de tranzit al transportatorilor minoritari este de aproximativ 100 ns.
Să considerăm procese tranzitorii în regimul fotovoltaic pentru a determina natura schimbării puterii fotoelectrice cu un circuit extern deschis.
Lăsați un puls de lumină de formă dreptunghiulară să fie alimentat la fotodiodă la un moment dat. În regiunea n a joncțiunii pn, începe generarea de purtători de încărcătură de echilibru, a căror concentrație va crește în timp. În consecință, curentul de gaură va crește prin joncțiunea np, iar regiunea p a fotodiodului va fi încărcată pozitiv cu privire la regiunea n. Cu creșterea concentrației de purtători de încărcătură în exces, rata de recombinare crește. La o anumită valoare a concentrației purtătorilor, procesele de recombinare și generare se echilibrează reciproc, iar fotografia ajunge la o valoare staționară. După închiderea lumina purtătorilor de impulsuri în exces în recombina n-regiune, reducând astfel concentrația lor, curentul care curge prin p-n joncțiune și photovoltage. Astfel, photovoltage și fotocurent în modul de schimbare proces fotovoltaic este determinată de generare și recombinare (acumularea și resorbția) de purtători în exces, a căror viteză este caracterizată de constanta de timp a vieții. adică creșterea și decăderea fotocurentului prin joncțiunea pn este descrisă prin ecuațiile formei (45) și (46).
Pe măsură ce fluxul de lumină crește, timpul de creștere crește și crește timpul de degradare a fotomultiplicatorului.