Puslaidininkiniai optoelektroniniai prietaisai

Įvairių puslaidininkinių prietaisų ypatybė reaguoti į šviesos srautą pagrįsta vidiniu fotoefektu, t. y. reiškiniu, kai, veikiant šviesai, puslaidininkyje padaugėja krūvininkų ir puslaidininkio laidumas išauga. Papildomas laidumas, pasireiškiantis veikiant šviesai, vadinamas fotolaidumu. Metaluose fotolaidumas beveik nepastebimas, nes juose laidumo elektronų koncentracija yra labai didelė ir siekia 10²² cm³. Fotodiodų veikimas pagrįstas papildomo fotolaidumo atsiradimu. Apšvietus fotodiodo PN sandūrą, fotonai ardo kovalentinius ryšius. Didėjant krūvininkų koncentracijai nuskurdintajame sluoksnyje ir šalutinių krūvininkų koncentracijai PN sandūros aplinkoje, stiprėja per PN sandūrą tekanti atgalinė srovė. Toks prietaiso režimas vadinamas fotodiodiniu. Režimas be išorinio maitinimo šaltinio vadinamas ventiliniu. Fotodiodo įjungimo schema parodyta 1 pav. – fotodiodai į elektrinę grandinę jungiami atgaline kryptimi. Šviesos srautas valdo atgalinę diodo srovę. Fotodiodo voltamperinė charakteristika parodyta 2 pav.

1 pav. Fotodiodo įjungimo schema

2 pav. Fotodiodo voltamperinė charakteristika

Jei PN sandūra neapšviesta, per sandūrą teka srovė I₀, kuri vadinama tamsos srove. Sandūrą apšvietus, srovė auga ir charakteristikos išsidėsto žemiau – kuo didesnis šviesos srautas Φ, tuo didesnė srovė. Atbulinės įtampos didinimas srovę didina labai nežymiai. Pernelyg didelė U_atb gali pramušti PN sandūrą.

Fotodiodo jautris siekia dešimtis miliamperų liumenui. Jis priklauso nuo šviesos bangos ilgio ir tikram bangos ilgiui, skirtingam įvairiems puslaidininkiams, yra didžiausias. Fotodiodų inertiškumas nedidelis, jų darbo dažnis siekia šimtus megahercų, darbinė įtampa 10 – 30 V, tamsos srovė 10 – 20 μA Ge diodams ir 1 – 2 μA Si diodams. Fotodiodą apšvietus srovės stipris gali padidėti iki kelių šimtų mikroamperų.

Fotodiodai skirstomi:

• Lavininiai, kuriuose vyksta griūtinis krūvininkų dauginimasis PN sandūroje, todėl jų jautrumas padidėja dešimtis kartų;
• Aukšto dažnio (iki 15–20 GHz) fotodiodai su Šotkio barjeru, kuriuose srovė teka per metalo ir puslaidininkio sandūrą;
• Pagerintų savybių fotodiodai su heterosandūromis (sandūromis tarp skirtingų puslaidininkinių medžiagų. Dažniausiai naudojamos tokių puslaidininkių poros: Ge–GaAs, Ge–Si, GaAs–GaP, GaAs–InAs). Parenkant sudėtinių puslaidininkinių medžiagų poras, gaminami fotodiodai kurių jautrio maksimumai yra šviesos bangų diapazone nuo infraraudonųjų spindulių iki γ spindulių.

Fotodiodai naudojami fotometrijoje, fotokalorimetrijoje, branduolinių dalelių registracijai ir skaičiavimui, automatinio reguliavimo schemose ir t.t.