1. Спектральная характеристика чувствительности - зависимость монохроматической чувствительности ФПМ от длины волны регистрируемого потока излучения.
2. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности -зависимость монохроматической чувствительности, измеренной в абсолютных единицах от длины волны регистрируемого потока излучения.
3. Относительная спектральная характеристика чувствительности зависимость монохроматической чувствительности, отнесенной к значению максимальной монохроматической чувствительности, от длины волны регистрируемого потока излучения.
2.2.8. Основные характеристики зависимости параметров ФПМ
1. Энергетическая характеристика фототока ФПМ - зависимость фототока от потока или плотности потока излучения, падающего на ФПМ.
2. Энергетическая характеристика напряжения (тока I фотосигнала - зависимость напряжения (тока) фотосигнала от потока или плотности потока излучения падающего на ФПМ.
3. Частотная характеристика чувствительности ФПМ - зависимость чувствительности ФПМ от частоты модуляции потока излучения.
4. Переходная (обратная переходная) нормированная характеристика - отношение фототока, описывающего реакцию ФПМ в зависимости от
времени, к установившемуся значению фототока при воздействии импульса излучения в форме единичной ступени (при резком прекращении воздействия излучения).
Устройство р-i-п-фотодиода
В предыдущем разделе мы рассмотрели взаимодействие света с ри-переходом. На основе -переходов функционирует основная масса современных ФПМ. К числу наиболее простых и распространенных ФПМ относятся фотодиоды (ФД). Такие ФД представляют собой трехслойную структуру, в которой между слоями типов находится слаболегированный тонкий слой, или, как говорят, слой с собственной проводимостью. Такая структура позволяет сформировать тонкий высоколегированный ■слой, практически полностью пропускающий падающее излучение, на поверхности слоя с собственной проводимостью типа. Как известно, распространение обедненного слоя внутрь материала пропорционально удельному сопротивлению материала; особенно широк этот слой, следовательно, на границах
Обратного напряжения в несколько вольт достаточно, чтобы обедненная область распространилась на весь слой. Ширина слоя выбирается таким
Рис. 2.20.Конструкция и диаграмма, поясняющие действие фотодиода:
а - структура фотодиода; б - распределение заряда в -структуре; в – распределение напряженности поля в структуре; г - распределение потенциала в обратносмещенной
структуре
образом, чтобы обеспечить практически полное поглощение падающего излучения, что позволяет получить высокую квантовую эффективность. Поперечное сечение фотодиода, а также распределение концентраций зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в структуре при обратном смещении, представлено на рис. 2.20. Считая в первом приближении поле внутри слоя однородным, можно записать
где - напряжение обратного смещения, приложенное к электродам ФД;
- ширина слоя. Собственную емкость ФД можно представить как емкость плоского конденсатора и записать в виде
где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; го - диэлектрическая проницаемость вакуума; - площадь перехода; - ширина слоя, или, точнее, ширина слоя объемного заряда.
Режимы работы фотодиода
В зависимости от схемы подключения ФД к электрической цепи различают два режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный. Параметры и характеристики ФД в этих режимах имеют некоторые отличия. Режим включения, когда внешний источник питания смещает -переход ФД в обратном направлении, называется фотодиодным. Принципиальная схема включения диода в этом режиме представлена на рис. 2.21. Схема характеризуется наличием источника ЭДС С/Ип, напряжение которого приложено к диоду в обратном направлении и нагрузочным резистором с которого
снимается выходной сигнал При включении ФД в обратном смещении
ток, протекающий через фотодиод-, равен
где - напряжение, приложенное к
ФД (с учетом знака); - фототок
(см.(2.46)). При достаточно большом обратном напряжении экспоненциальный член становится достаточно малым и тогда
Описать электрическую схему (рис. 2.21) можно следующим соотношением:
Воспользовавшись формулами (2.51)—(2.53), легко построить нагрузочную прямую на графике семейства вольт-амперных характеристик ФД (см. рис. 2.22). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и соответствующей данному потоку ветви характеристики ФД. Максимальный поток излучения, который можно зарегестрировать при заданных определяется пересечением нагрузочной кривой с осью ординат. В аналитической форме это можно записать следующим образом:
где . - токовая чувствительность ФД; - максимальный поток излуче-
ния, который может зарегистрировать ФД в фотодиодном режиме.
Необходимо отметить, что фотодиодный режим работы является линейным, так как ток, протекающий через ФД и напряжение на нагрузке прямопропорциональны потоку излучения.
Если ФД не имеет внешнего источника питания, он работает как преобразователь энергии светового излучения в электрическую и эквивалентен генератору, характеризующемуся напряжением холостого хода или током короткого замыкания Схема включения ФД в фотогальваническом режиме приведена на рис. 2.23. Вольт-амперные характеристики для диода, включенного в фотогальваническом режиме, приведены на рис. 2.24. Чтобы получить основные соотношения для фотогальванического режима, вспомним формулу (2.46) для р-п-перехода под действиием потока излучения, которую можно переписать в следующем виде:
где - напряжение ненагруженного ФД, которое фактически равно изменению потенциала барьера -перехода Таким образом, получаем
Из формулы (2.56) следует, что пои малой облученности, т.е. пр! зависимость напряжения на ФД от фототока, а следовательно, и от потока излучения близка к линейной
При больших значениях облученности, когда , эта зависимость - логарифмическая
Нагрузочная прямая для фотогальванического режима описывается формулой
5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Дата: 2019-05-29, просмотров: 207.