Что такое фотодиод?
Фотодиод — это разновидность полупроводникового диода, обладающая уникальным свойством: его электропроводность изменяется под воздействием света (оптического излучения). Ключевой особенностью является односторонняя фотопроводимость, то есть ток протекает преимущественно в одном направлении при освещении. Конструктивно прибор представляет собой полупроводниковый кристалл (чаще всего с p-n-переходом), помещенный в защитный корпус из металла или пластика и снабженный двумя выводами для подключения в электрическую цепь. Для изготовления фотодиодов используют различные материалы, такие как кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs) и теллурид кадмия-ртути (HgCdTe), что позволяет охватывать разные диапазоны спектра.
Режимы работы фотодиода
Существует два основных режима эксплуатации фотодиодов, которые определяются схемой их включения:
1. Фотодиодный режим (режим с внешним смещением). В этой схеме к фотодиоду подключается источник постоянного напряжения, создающий обратное смещение на p-n-переходе. В данном режиме прибор работает как управляемый светом датчик тока: величина электрического тока в цепи изменяется пропорционально интенсивности падающего светового потока. Под действием излучения в полупроводнике генерируются пары электрон-дырка (неосновные носители), которые, проходя через p-n-переход, изменяют его проводимость. Важно отметить, что фототок в этом режиме практически линейно зависит от светового потока и слабо зависит от величины приложенного обратного напряжения.
2. Вентильный (фотогальванический) режим. В этом случае внешний источник напряжения отсутствует. Фотодиод работает аналогично фотоэлементу, непосредственно преобразуя энергию света в электрическую и выступая в роли миниатюрного генератора фотоЭДС (фотоэлектродвижущей силы).
Основные параметры и характеристики
Для оценки возможностей и выбора фотодиода используются следующие ключевые параметры:
Порог чувствительности — минимальный обнаруживаемый оптический сигнал, нормированный на единицу полосы частот. У современных фотодиодов может достигать впечатляющих значений порядка 10–14 Вт/Гц.
Уровень собственных шумов — паразитный ток, ограничивающий возможность регистрации слабых сигналов, обычно не превышает 10–9 А.
Спектральный диапазон — область длин волн света, на которую реагирует прибор. В зависимости от материала он может варьироваться от ультрафиолета (0.3 мкм) до дальней инфракрасной области (до 15 мкм).
Спектральная чувствительность — отношение созданного фототока к мощности падающего монохроматического излучения. Характерные значения лежат в диапазоне 0.5–1 А/Вт.
Инерционность (быстродействие) — время, за которое фототок устанавливается после освещения. Обычно составляет 10–7 – 10–8 секунды.
Разновидности фотодиодов
Помимо классических p-n-фотодиодов, существуют более совершенные конструкции:
Лавинные фотодиоды (APD). В этих приборах используется явление лавинного умножения носителей заряда в области сильного электрического поля p-n-перехода. Фотоэлектроны, ускоряясь, ионизируют атомы, порождая новые пары носителей, что приводит к внутреннему усилению сигнала. Коэффициент такого умножения может достигать 102 – 104, что значительно повышает чувствительность устройства.
p-i-n-фотодиоды. Их структура включает между p- и n-областями широкий собственный (i — intrinsic) полупроводниковый слой. Это позволяет снизить емкость перехода и, как следствие, резко повысить быстродействие. Инерционность p-i-n-фотодиодов может достигать 10–10 секунд.
Области применения
Благодаря своим свойствам фотодиоды нашли широчайшее применение в различных отраслях техники. Они являются ключевыми элементами в оптоэлектронике, устройствах автоматики и телемеханики, системах fiber-optic связи, лазерных дальномерах и системах наведения, измерительных приборах (люксметрах, спектрометрах), а также в потребительской электронике — например, в пультах дистанционного управления и системах подсчета объектов.