Фотодиод представляет собой полупроводниковый оптопреобразовательный прибор, в работе которого используется явление внутреннего фотоэффекта.
Явление фотоэффекта возникает непосредственно в зоне p–n-перехода, поэтому для его возникновения фотодиод обязательно должен иметь оптический канал для проникновения излучения в зону перехода. УГО фотодиода представлено на рисунке.
Промышленно выпускаются фотодиоды на основе германия, кремния, арсенида галлия, сернистого серебра и др.
Фотодиод преобразует световую энергию в энергию электрического тока. Под действием светового излучения в области p–n-перехода происходит ионизация атомов примеси, в результате чего генерируются носители заряда обоих типов – электрон и дырка, которые под действием электрического поля способны формировать во внешней цепи электрический фототок IФ.
В зависимости от способа включения различают два режима работы фотодиода:
- Фотогенераторный (без внешнего источника питания).
- Фотопреобразовательный (с внешним источником питания).
В фотогенераторном режиме при разомкнутой внешней цепи и отсутствии освещения ток через p–n-переход равен нулю. При освещении возрастает дрейфовая составляющая тока за счет увеличения генерации дополнительных носителей заряда:
IОБР = I0 + IФ ,
где I0 – тепловой ток; IФ – фототок.
В фотогенераторном режиме в p-области накапливаются дырки, в n-области – электроны, и между внешними выводами появляется фото-ЭДС. Предельно возможное значение фото-ЭДС определяется контактной разностью потенциалов и составляет 0,5…0,6 В.
В фотопреобразовательном режиме при включении внешнего источника напряжения, смещающего переход в обратном направлении, при отсутствии освещения через p–n-переход будет протекать темновой ток
IФ0 = I0 ,
а при освещении p–n-перехода ток возрастает:
IФ = IФ0 + KФ,
где K – коэффициент интегральной чувствительности, Ф – интенсивность светового потока.
Коэффициент интегральной чувствительности K определяется отношением изменения фототока к изменению интенсивности светового потока.
K = ∆IФ/∆Ф.
Зависимость K от длины волны λ падающего излучения называется спектральной чувствительностью фотодиода.
По спектральной чувствительности различают инфракрасные (ИК), видимые (В) и ультрафиолетовые (УФ) фотодиоды.
Фотодиоды используются в приборах для оптических измерений.
Длительная эксплуатация фотодиодов может привести к ухудшению оптических свойств канала, что вызовет изменение его характеристик, поэтому одним из актуальных эксплуатационных параметров фотодиода является долговечность – минимальный срок службы при нормальных условиях эксплуатации.
Основными характеристиками фотодиодов являются:
- рабочее напряжение UP;
- темновой ток IФ0;
- коэффициент интегральной чувствительности K;
- спектральная чувствительность фотодиода;
- долговечность.