Общие сведения
Фотодиод – это фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения
(краткая форма – фотоприемник), имеющий p-n- переход, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте. При освещении перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока этих носителей совпадает с направлением обратного тока через переход.
Диодные структуры представляют собой основу большинства разновидностей фотоприемников, используемых в настоящее время в оптоэлектронике. Простота их конструкции обеспечивает наилучшее использование светового потока. Фотодиоды обладают высокими значениями чувствительности и быстродействия, имеют хорошую линейность в широком диапазоне изменения уровня освещенности,
достаточный уровень фотоответа (отношения сигнала к шуму С/Ш) при работе фотодиода на согласованную нагрузку. По сравнению с фототранзисторами они имеют более высокое быстродействие (на несколько порядков), а по сравнению с фоторезисторами - более высокую чувствительность.
Устройство. Круглая пластина n -германия, служащая базой, помещена в
металлический корпус против окна, закрытого стеклом. Электронно-дырочный переход образован путем вплавления в пластинку германия капли индия. Таким образом, в фотодиоде этой конструкции световой поток направлен перпендикулярно плоскости p-n -перехода. Возможно и другое расположение кристалла полупроводника, когда световой поток параллелен плоскости перехода. Фотодиоды могут использоваться в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом. В фотодиодном режиме диод смещается в обратном направлении и фототок является функцией освещенности. В фотогальваническом режиме прибор работает в режиме генерации фото ЭДС. Здесь при разомкнутой цепи нагрузки (в режиме холостого хода) фотодиод вырабатывает наибольшее напряжение, являющееся функцией освещенности. Если фотодиод замкнут накоротко (режим короткого замыкания), то в цепи протекает наибольший ток, также являющийся функцией освещенности. Фотодиодный режим по сравнению с фотогальваническим обладает рядом преимуществ: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основным недостатком этого режима является наличие значительного шумового тока, протекающего через нагрузку. Однако, в ряде случаев, при необходимости обеспечения низкого уровня шумов фотоприемника фотогальванический режим может быть более выгодным, чем фотодиодный.
Особенно ярко это обстоятельство проявляется при построении фото приёмных устройств на основе пары фотодиод операционный усилитель (ФД-ОУ),
обладающих максимальной обнаружительной способностью в условиях изменяющихся фоновых засветок. В этом случае для фотодиода необходимо
обеспечить режим короткого замыкания на оба входа операционного усилителя, включенного по схеме с отрицательной обратной связью.
Принцип действия как правило, излучение воздействует в направлении,
перпендикулярном плоскости p-n -перехода
При облучении фотодиода светом в нем возникает генерация пар носителей
заряда - электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна силе света. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают p -область положительно, а n -область отрицательно. Таким образом на выводах фотодиода появляется фото ЭДС. Это генераторный режим работы фотодиода. Если к фотодиоду приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Это фотодиодный режим работы. Для повышения быстродействия фотодиоды создаются со структурой p-i-n, где i обозначает слой кремния собственной проводимости (полуизолирующий) между сильно легированными областями p - и n -типа. В этом случае для фотодиодов с p-i-n структурой может быть достигнута частота порядка 1 ГГц.
Основные характеристики и параметры фотодиода.
Полная система параметров и характеристик полупроводниковых фотоэлектрических приемников излучения приведена в ГОСТ 21934-3.
Основными характеристиками фотодиодов являются:
1) Вольт-амперная характеристика Iфд=f(U) при Ф=var;
2) Спектральная характеристика Sф=f();
3) Рабочее напряжение Uр;
4) Темновой ток Iт;
5) Токовая интегральная чувствительность Si инт;
6) Предельная частота fo.
Фотодиоды применяются в приборах для фотоприемфаксимильной аппартуре связи, аппаратуре звукового кино, устройствах фотосчитывания информации (сканерах) и в ряде других областей. В медицинской технике фотодиоды широко применяются в пульсоксиметрах, в датчиках пульса и пульсовой волны, в приборах для диагностического электрофореза, в лазерных диагностических приборах, в биологических исследованиях жидкостей. Их используют также в качестве датчиков координат, такие приборы называют координатными фотодиодами.
Методика выполнения работы
2.1. Исследование ВАХ фотодиода.
2.1.1. Из элементов, приготовленных к работе собрать схему для исследования
ВАХ фотодиода (рис.1), подключить генератор ГН2 и измерительные приборы с помощью соединительных проводов.
Проверить правильность установки фотодиода. Анодный вывод фотодиода
выполнен более ярким проводом (желтый или оранжевый).
Фотодиод используется только при обратном включении.
Измерение фототока осуществлять микроамперметром АВО с диапазоном
измерений 10 и 100 мкА. Для измерения обратного рабочего напряжения
использовать вольтметр АВМ2 с пределами измерений 10 и 50 В.
Собранную схему показать преподавателю.
Яркий (красный, оранжевый) соединительный провод фотодиода подсоединить к аноду диода VD2 изображенного на съемной панели №1, а белый -
к катоду. Ручки генератора ГН2 “Грубо” и “Точно” поставить в крайнее левое положение. Собранную схему показать преподавателю. Включить тумблер “Сеть”.
2.1.2. Изменяя напряжение от 0,5 В до 15 В ручками “Грубо” и “Точно”
зарегистрировать значения фототока Iф при шести значениях светового потока Ф = 1; 0,5; 0,25; 0,125; 0,0625; 0 отн. ед. (Ф=0 при объективе закрытом крышкой).
Для изменения освещенности здесь применяется объектив с ирисовой
диафрагмой. Ирисовая диафрагма представляет собой кожух с размещенными в нем металлическими лепестками (ламелями) серповидной формы. С помощью штифтов лепестки соединяются с кожухом и кольцо м -коронкой. На внешней стороне кольца нанесены значения диафрагменных чисел. Поворотом кольца изменяют положение лепестков, уменьшая или увеличивая отверстие. Внутренние радиусы лепестков определяют диаметр входного отверстия диафрагмы. Путем изменения входного отверстия диафрагмы при постоянном входном отверстии объектива можно изменять выходную освещенность объектива. Диафрагменное число K находится как отношение K=f/d, где f - фокусное расстояние объектива, d - диаметр его входного
отверстия. Величина, обратная диафрагменному числу, называется геометрическим относительным отверстием, обозначаемым как 1:K. Для фотографических объективов принят стандартный ряд значений диафрагменных чисел (геометрических относительных отверстий): 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32. Этот ряд чисел представляет собой геометрическую прогрессию со знаменателем 
2 =1,4. В основу этого ряда положена закономерность изменения освещенности (светового потока) в два раза при переходе от одного деления к другому (соседнему). Зависимость выходного светового потока (освещенности) от положения диафрагмы объектива показана в табл. 1.
Для освещения фотодиода используется либо рассеянное естественное
освещение, либо освещение от внешнего искусственного источника (лампа
накаливания с матовым светофильтром). В процессе измерений менять
относительное положение фотодиода и источника освещения не допускается.
Для измерения Iф воспользоваться прибором АВО, а для измерения напряжения – прибором АВМ2. Провести 5 измерений. Полученные результаты
занести в 5 таблиц (см. образец таблицы № 2) для значений светового потока Ф= 1;0,25; 0,125; 0,0625; 0 в соответствии с табл. 1.
Таблица 2
| Ф = 1 отн. ед. | ||||||
| U, В | 0,8 | |||||
| Iф, мкА | ||||||
| Ф = 0,25 отн. ед. | ||||||
| U, В | 0,8 | |||||
| Iф, мкА | ||||||
| Ф = 0,125 отн. ед. | ||||||
| U, В | ||||||
| Iф, мкА | ||||||
| Ф = 0,0625 отн. ед. | ||||||
| U, В | ||||||
| Iф, мкА | 0,3 | 0,32 | 0,32 | 0,32 | 0,32 | 0,32 |
| Ф = 0 отн. ед. | ||||||
| U, В | ||||||
| Iф, мкА | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 |
2.1.3. Построить график зависимости Iф=f(U), при Ф=1; 0,25; 0,0625; 0.
Ф = 1 отн. ед.
Ф = 0,25 отн. ед.
Ф = 0,0625 отн. ед.
Ф = 0 отн. ед.
2.2. Исследование световой характеристики фотодиода в режиме короткого
замыкания.
2.2.1. Отсоединить от схемы ГН. Замкнуть на стенде ГН перемычкой.
2.2.2. Изменяя световой поток с помощью диафрагмы снять значения Iф. Для
этого использовать ампервольтметр прибора АВО. Произвести 6 измерений.
Результаты занести в табл. 3.
Таблица 3
| Ф, отн. ед. | 0,5 | 0,25 | 0,125 | 0,0625 | ||
| Iф, мкА | 0,6 | 0,4 | 0,2 |
Выключить тумблер “Сеть”, ручки “Грубо” и “Точно” поставить в крайнее левое положение. Разобрать схему, привести рабочее место в порядок.
2.2.3. Построить график зависимости Iф=f(Ф).
