в переходе по направлению не изменяется, поэтому направление фототока остается прежним, но противоположным темповому току.

Световые (энергетические) характеристики ФД представляют зависимость фототока от освещенности /ф=1ф(Ф) при f/oC!P = const (рис. 8.4, в). Они линейны в широком интервале изменений светового потока. Объясняется это тем, что толщина базы диода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей. Поэтому все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, достигают перехода и принимают участие в образовании фототока. Потери носителей на рекомбинацию невелики (из-за малого содержания неконтролируемых примесей) и не зависят от значения потока.

Увеличение обратного напряжения (6o6p2>f/o6pi) вызывает расширение перехода и соответственно уменьшение ширины базы. При этом меньшая часть неосновных носителей заряда успевает рекомбинировать в толще базы, поэтому фототок в ФД увеличивается.

Спектральная характеристика ФД (рис. 8 5, а) иллюстрирует зависимость чувствительности от длины волны. Со стороны больших длин волн граница спектральной характеристики определяется шириной запрещенной зоны полупроводника, а со стороны коротких - толщиной облучаемой области и скоростью поверхностной рекомбинации неосновных носителей. Положение максимума на спектральной характеристике зависит от скорости роста коэффициента поглощения а с уменьшением длины волны. При большей скорости возрастания а максимум смещается к длинноволновой границе.

По сравнению с фоторезисторами ФД имеют следующие особенности. Вследствие линейности световой характеристики интегральная чувствительность ФД не зависит ст приложенного обратного напряжения. Исходя из этого основным параметром ФД служит не удельная, а просто интег-

0.3 УФ

0,5 В

0,8 А.мкм

Рис. 8.5. Спектральные характеристики и устройство ФД:

1 - стеклянная линза; 2 - кристалл; 3 - корпус; 4 - стеклянный изолятор; 5 - токоотводы

ральная чувствительность 8п= /ф/Ф.

Фотодиоды имеют малую инерционность. На инерционность ФД влияют время диффузии или дрейфа неосновных носителей через базу; время их пролета через переход; время перезаряда барьерной емкости перехода (постоянная времени irCgap)-

Нарастание и спад фототока под действием световых импульсов происходят постепенно. С увеличением частоты следования световых импульсов фронт нарастания фототока накладывается на фронт спада от преды-

дущего импульса. При некоторой частоте ФД не различает отдельные импульсы света, фототок через ФД становится постоянным. Предельная частота больше у ФД с освещаемой р-областью, так как Dn>Dp. Для увеличения быстродействия уменьшают толщину освещаемой области до 3-5 мкм, используя диффузионную технологию. Быстродействие возрастает в диффузионной p-i-n-структуре с тонкой р-областью, при которой поглощение излучения происходит в f-M слое.

Высокое быстродействие имеют ФД с переходом Шоттки на основе контакта металл - полупроводник, что позволяет использовать их для работы при СВЧ модуляции светового потока.

Фотодиоды подобно фоторезисторам служат для формирования электрических сигналов под действием оптического излучения, поэтому в качестве параметров ФД используются те же величины, что и для фоторезисторов: чувствительность, граничная частота излучения, пороговый поток. Примерами промышленных образцов ФД служат германиевый фотодиод ФД-2 (рис. 8.5,6) с еи=10-Ь -20 мА/лм и кремниевый ФКК-1 с 8и=3 мА/лм. ФД применяются в устройствах ввода и вывода информации ЭВМ, фотометрии, в автоматике.

§ 8.4. Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковый фотоэлемент (ФЭ) представляет собой фотодиод, предназначенный для непосредственного преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.

Принцип действия. Полупроводниковый ФЭ (в отличие от ФД) работает в фотогальваническом режиме (без внешнего источника питания, а сам является источником электрической энергии). При освещении ФЭ (рис. 8.6, а) за счет поглощения квантов света в

В 1нз макс

10 20 3D Ф.ММ

DA 0,6 Л,нкм

Рис. 8.6. Структура, устройство и характеристики кремниевого ФЭ

р-п-переходе и прилегающих областях полупроводника происходит генерация избыточных носителей заряда. Электрическое поле, существующее в р-п-переходе, разделяет неравновесные носители (приводит к накоплению избыточных зарядов в р- и п-областях) .

В результате перемещения неосновных носителей р-область оказывается заряженной положительно, а п-область - отрицательно. Между электродами возникает разность потенциалов (возникает фото-э. д. с). Если замкнуть ФЭ на внешнюю цепь, в ней появится ток /=/ф, определяемый разностью встречных потоков носителей через р-п-переход. Фото-э. д. с. не может превышать ширины запрещенной зоны полупроводника Awj. У кремниевых ФЭ она составляет 0,5-0,6 В.

Накопление неравновесных носителей в областях не беспредельно. Одновременно с накоплением дырок в р-области и электронов в п-области происходит снижение высоты потенциального перехода на величину возникающей фото-э. д. с. Уменьшение суммарной напряженности электрического поля в переходе ухудшает разделительные свойства перехода.

Характеристики и параметры. ВАХ, соответствующая работе ФЭ, в режиме генерации фото-э. д. с. располагается в четвертом квадранте (рис. 8.6,6). Точки пересечения ВАХ с осью напряжения соответствуют значениям фото-э. д. с. (напряжению холостого хода при различной освещенности). На оси токов точки пересечения соответствуют значениям токов короткого замыкания. Значения этих токов зависят от шющади р-п-перехода ФЭ. Оценивают ФЭ по плотности тока короткого замыкания. При средней освещенности солнечным светом плотность тока короткого замыкания у кремниевых ФЭ 20-25 мА/см. По ВАХ выбирают оптимальное сопротивление, при котором в нем выделяется наибольшая мощность.

Оптимальный режим работы ФЭ получают при наибольшей площади прямоугольника с вершиной на ВАХ при выбранной освещенности. В этой точке произведение координат максимально /t/=Рмакс. У кремниевых ФЭ напряжение на оптимальной нагрузке примерно 0,4 В, а плотность тока через ФЭ 15-20 мА/см.

Световые характеристики выражают зависимость тока короткого замыкания /кз и фото-э. д. с. от светового потока или от освещенности ФЭ (рис. 8.6, е) при различных сопротивлениях нагрузки. Нелинейность характеристик обусловлена уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточных зарядов (электронов в п- и дырок в р-областях полупроводника).

Спектральные характеристики ФЭ выражают зависимость тока короткого замыкания от длины волны излучения (рис. 8.6,г). Эти характеристики ФЭ аналогичны спектральным характеристикам ФД. ФЭ изготовляют из кремния, германия, арсенида галлия, сульфида кадмия и др. Максимум спектральной чувствительности кремниевых ФЭ близок к максимуму спектрального распределения