Fotodioda

Între fotodiodă (dispozitiv optoelectronic semiconductor) și dioda semiconducătoare există două mari deosebiri constructive: a) la o diodă semiconducătoare toată suprafața zonei difuzate este acoperită cu un strat metalic ce constituie unul dintre electrozi, în timp ce la o fotodiodă această suprafață este acoperită în întregime cu un strat antireflectant (ea constituind zona fotosensibilă a dispozitivului), colectarea purtătorilor fiind realizată cu ajutorul unei metalizări liniare (fig. 7.1); b) capsula diodelor semiconducătoare este în general opacă (exceptând cazul celor încapsulate în sticlă), în timp ce la fotodiodă existența unei zone transparente a capsulei, pentru pătrunderea luminii, este esențială.

Funcționarea fotodiodelor se bazează pe efectul fotoelectric intern, aceste dispozitive fiind concepute pentru a fi utilizate în regim de polarizare inversă. Dacă o joncțiune semiconducătoare este polarizată invers (fig. 7.2), are loc o extindere a regiunii de sarcină spațială (liniile punctate din fig. 7.2), iar în lipsa iluminării (E = 0), curentul prin dispozitiv este foarte mic (fig. 7.3). Acest curent se datorează purtătorilor generați termic în regiunea de sarcină spațială și la distanțe Ln și Lp față de aceasta și poartă numele de “curent de întuneric”, ID (dark = întuneric, în lb. engleză).

În fig. 7.3 se observă că pentru o fotodiodă neiluminată caracteristica curent-tensiune este identică cu cea a unei diode. Iluminarea joncțiunii determină creșterea curentului invers (numit acum “curent de iluminare”, IL), deplasarea în jos a caracteristicii curent-tensiune fiind cu atât mai pronunțată cu cât iluminarea crește (fig. 7.3).

Familia de caracteristici curent-tensiune prezentată în fig. 7.3 este tipică pentru fotodiodele cu siliciu. Se observă independența curentului de iluminare de tensiunea inversă VR aplicată până în apropierea tensiunii de străpungere VBR a joncțiunii, străpungerea având loc la tensiuni de ordinul zecilor sau sutelor de volți. Deoarece numărul purtătorilor fotogenerați este direct proporțional cu iluminarea, curentul IL depinde liniar de aceasta pe un domeniu foarte larg, la niveluri foarte mari de iluminare remarcându-se o tendință de “saturare” (fig. 7.4).

În absența polarizării, o fotodiodă poate funcționa ca o celulă fotovoltaică (curbele din cadranul IV, fig. 7.3), curentul generat fiind însă mic datorită valorii reduse a ariei suprafeței fotosensibile. Este util de remarcat că, în schimb, celulele fotovoltaice pot fi utilizate destul de eficient ca fotodiode dacă sunt selectate exemplare care au curentul de întuneric redus și tensiunea de străpungere suficient de mare.

În fig. 7.5 se indică modul în care se trasează dreapta de sarcină a fotodiodei în funcție de modul de utilizare a acesteia. Dacă fotodiodei i se aplică o polarizare inversă, dreapta de sarcină se obține prin unirea punctului de pe axa tensiunilor corespunzător tensiunii VR aplicate cu punctul corespunzător valorii -VR/R, R fiind rezistența “anodică” legată în serie cu dispozitivul. Punctul de funcționare P se află la intersecția dreptei de sarcină cu caracteristica curent-tensiune corespunzătoare nivelului de iluminare la care se lucrează (de exemplu, E2). În cazul în care fotodioda este utilizată drept celulă fotovoltaică, punctul de funcționare P’ se află la intersecția curbei din cadranul IV, corespunzătoare nivelului de iluminare la care se lucrează, cu o dreaptă ce trece prin origine și face cu axa curentului un unghi a cărui tangentă este egală cu rezistența de sarcină. O proprietate esențială a fotodiodelor este timpul de răspuns mai redus, la arii fotosensibile egale, decât al celulelor fotovoltaice sau al fototranzistoarelor. Aceasta se datorează micșorării capacității joncțiunii atunci când i se aplică o polarizare inversă (fig. 7.6). Pentru înțelegerea acestui fenomen vom asimila joncțiunea cu un condensator plan ale cărui armături sunt regiunile p și n, dielectricul fiind reprezentat de zona de sarcină spațială (zonă lipsită de purtători de sarcină liberi și, deci, cu conductivitate mică). Creșterea tensiunii inverse aplicate conduce la o lărgire a regiunii de sarcină spațială, ceea ce echivalează cu o mărire a distanței dintre armăturile condensatorului. Ca urmare, capacitatea joncțiunii scade, iar constanta de timp a circuitului se micșorează. Timpii de răspuns ai fotodiodelor cu siliciu sunt de ordinul microsecundei.

Pentru a putea răspunde la semnale luminoase cu frecvențe mai ridicate s-au realizat fotodiodele Schottky și fotodiodele p-i-n. Fotodioda Schottky este formată dintr-un strat metalic depus pe un material semiconductor, metalul fiind astfel ales încât să formeze cu semiconductorul un contact redresor. Funcționarea acestui tip de fotodiodă este asemănătoare cu a celei cu joncțiune realizată prin difuzie, lipsa stocării sarcinilor electrice conducând la valori foarte mici ale timpilor de comutație (sub 1 ns).

Fotodiodele p-i-n permit lucrul cu frecvențe ale semnalului luminos cu 2-3 ordine de mărime mai mari decât în cazul fotodiodelor realizate prin difuzie (de tip pn sau np). O astfel de fotodiodă are între zona p și zona n o regiune semiconductoare intrinsecă (neimpurificată) — i. Se asigură astfel o distanțare mai mare între regiunea p și regiunea n, capacitatea dispozitivului micșorându-se considerabil.

În continuare vom enumera și defini pe scurt principalii parametri ai unei fotodiode pentru ca cititorul să poată folosi datele de catalog ale acestor dispozitive.

Caracteristica de directivitate a unei fotodiode reprezintă variația relativă a curentului acesteia în funcție de unghiul de incidență a luminii pe suprafața fotosensibilă. O asemenea caracteristică este prezentată în fig. 7.9 pentru o fotodiodă cu fereastră și una cu lentilă. Se poate observa directivitatea mai pronunțată a fotodiodelor cu lentilă.

În tabelul alăturat se dau caracteristicile fotodiodelor ce se produc în țară la noi — seriile DF (I.P.R.S.) și ROL (I.C.C.E.), iar în fig. 7.10 sunt prezentate capsulele lor.