Основні характеристики ФП

Основними характеристиками ФП є спектральна, частотна і енергетична (світлова). Світловою характеристикою називають залежність фотоструму І_ф, від світлового потоку Ф, який падає на чутливу поверхню при сталій напрузі (U _ф = соnst). Світлові характеристики ФП будують в залежності від освітленості їх поверхні Е = Ф/А (А - площа чутливої поверхні), а не від величини світлового потоку, оскільки розміри чутливого шару незначні. За світловою характеристикою визначається основний параметр ФП – інтегральна чутливість S = I _ф/ (АФ). Для багатьох напівпровідникових ФП інтегральна чутливість залежить від прикладеної напруги, тому користуються поняттям питомої чутливості S₀ = I _ф/ (АU_фФ).

Динамічний діапазон лінійності ФП виражається, як правило, в децибелах:

, (5.5)

де Ф _мін, Ф _макс – область значень світлового потоку Ф, в межах якої енергетична характеристика лінійна.

Для забезпечення високої чутливості до випромінювання необхідно, щоб у ФД дифузна складова фотоструму була мінімальною. Тому ФД працює або взагалі без джерела напруги (фотогальванічний режим), або при зворотній зовнішній напрузі (фотодіодний режим). У загальному випадку (для довільної полярності джерела напруги U) струм фотодіода описується виразом

, (5.6)

де I _ф - фотострум; І _pn - струм p-n –переходу; I ₀ - тепловий струм р-п- переходу. При різних потоках випромінювання Ф цей вираз задає сімейство вольт-амперних характеристик ФД (рис. 5.3). Квадрант І - це не робоча область для ФД, тут дифузна складова струму набагато більша від фотоструму (І_рп» I _ф).

Квадрант III – це фотодіодна область роботи. У робочому діапазоні зворотних напруг фотострум практично не залежить від величини напруги і опору навантаження. Вольт-амперна характеристика резистора навантаження R є прямою лінією, рівняння якої має вигляд

, (5.7)

де U _з - величина зворотної напруги.

Оскільки ФД і резистор навантаження з'єднані послідовно, через них протікає однаковий струм. Його можна визначити за точкою перетину вольт-амперних характеристик ФД і резистора в квадранті III. Таким чином, у фотодіодному режимі при заданому потоці випромінювання ФД є джерелом струму І _ф по відношенню до зовнішнього кола. Значення цього струму практично не залежать від параметрів зовнішнього кола.

	Рис. 5.3. Сімейство вольт-ампер-них характеристик фотодіода для різних рівнів світлових потоків Ф1, Ф2, Ф3 і для Ф = 0
	Рис. 5.4. Вольт-амперні характерис-тики ФД в фотогальванічному режимі. Пояснення позна­чень у тексті

Квадрант IV відповідає фотогальванічному режиму роботи ФД (рис. 5.4). Точки перетину вольт-амперних характеристик з віссю напруг відповідають значенням фото-е.р.с. або напругам холостого ходу (R = ¥). Тоді з виразу (5.6) легко одержати напругу на переході, яка дорівнює фото-е.р.с.

. (5.8)

Точки перетину вольт-амперних характеристик з віссю струмів відповідають значенням струмів короткого замикання (R = 0). Проміжні значення опору навантаження визначаються лініями, які для різних значень R виходять з початку координат під різними кутами. При заданому значенні струму можна вибрати оптимальний режим роботи ФД у фотогальванічному режимі, коли на опорі буде виділятися найбільша електрична потужність. Оптимальному режиму відповідає для світлового потоку Ф ₁ лінія навантаження R ₁ (площа заштрихованого прямокутника з вершиною в точці А буде найбільшою – рис. 5.4).

Рис. 5.5. Вольт-амперні характеристики лавинних фотодіодів

На рис. 5.5 представлені вольт-амперні характеристики, типові для ЛФД. Рівняння такої характеристики можна записати у вигляді

. (5.9)

У фотоприймачах з внутрішнім підсиленням крім перетворення оптичного випромінювання в електричний струм (фотострум) має місце ще і збільшення (підсилення) фотоструму. Основними різновидами ФП з внутрішнім підсиленням є фототранзистор і фототиристор. У порівнянні із звичайним ФД фототранзистор дає підсилення струму в b разів, а інтегральна чутливість фото транзистора

, (5.10)

де S _фд – струмова чутливість ФД, утворена емітерним переходом транзистора; b–коефіцієнт підсилення транзистора.

При виконанні роботи передбачається використання широкого набору як випромінювачів, так і фотоприймачів. їх заміна проводиться лише за участю викладача. При цьому слід також знайомитися з їх описом та паспортними характеристиками.