Fotodiódák: készülék, jellemzők és működési elvek

A legegyszerűbb fotodióda egy hagyományos félvezető dióda, amely képes befolyásolni az optikai sugárzást a p–n átmeneten.

Egyensúlyi állapotban, amikor a sugárzási fluxus teljesen hiányzik, a fotodióda hordozókoncentrációja, potenciáleloszlása ​​és energiasávdiagramja teljes mértékben megfelel a szokásos pn szerkezetnek.

A p-n átmenet síkjára merőleges irányú sugárzás hatására a sávszélességnél nagyobb energiájú fotonok abszorpciója következtében az n-régióban elektron-lyuk párok jelennek meg. Ezeket az elektronokat és lyukakat fotohordozóknak nevezzük.

A fotohordozó mélyen az n-régióba történő diffúzió során az elektronok és lyukak fő frakciójának nincs ideje rekombinálni, és eléri a p-n átmenet határát. Itt a fotohordozókat a p — n átmenet elektromos tere elválasztja, és a lyukak a p tartományba kerülnek, az elektronok pedig nem tudják legyőzni az átmeneti mezőt, és felhalmozódnak a p — n átmenet és az n tartomány határán.

Így a p — n csomóponton áthaladó áram a kisebbségi hordozók — lyukak eltolódása miatt következik be. A fotohordozók drift áramát fotoáramnak nevezzük.

A fotohordozók-lyukak pozitívan töltik a p-régiót az n-régióhoz képest, és a fotohordozó-elektronok-az n-régiót negatívan a p-régióhoz képest. Az így kapott potenciálkülönbséget Ef fotopotenciálnak nevezzük. A fotodiódában keletkező áram fordított, a katódról az anódra irányul, és minél nagyobb az értéke, annál nagyobb a megvilágítás.

A fotodiódák két üzemmód egyikében működhetnek – külső elektromos energiaforrás nélkül (fotogenerátor üzemmód) vagy külső elektromos energiaforrással (fotokonverter üzemmód).

A fotogenerátor üzemmódban működő fotodiódákat gyakran használják áramforrásként, amelyek a napenergiát elektromos energiává alakítják. Ezeket napelemeknek nevezik, és az űrhajókban használt napelemek részét képezik.

A szilícium napelemek hatásfoka 20% körüli, míg a filmes napelemeknél sokkal fontosabb lehet. A napelemek fontos műszaki paraméterei a kimenő teljesítményük tömegéhez és a napelem által elfoglalt területéhez viszonyított aránya. Ezek a paraméterek elérik a 200 W / kg és 1 kW / m2 értéket.

Amikor a fotodióda fotokonverziós üzemmódban működik, az E tápegység blokkolási irányban csatlakozik az áramkörhöz (1. ábra, a). A fotodióda I — V karakterisztikájának fordított ágait különböző megvilágítási szinteken használják (1. ábra, b).

Rizs. 1. A fotodióda bekapcsolásának sémája fotokonverziós üzemmódban: a — kapcsolókör, b — I — V a fotodióda karakterisztikája

Az Rn terhelőellenállásban lévő áram és feszültség grafikusan meghatározható a fotodióda áram-feszültség karakterisztikája és az Rn ellenállás ellenállásának megfelelő terhelési vonal metszéspontjaiból. Megvilágítás hiányában a fotodióda a hagyományos dióda üzemmódjában működik. A sötétáram germánium fotodiódáknál 10 — 30 μA, szilícium fotodiódáknál 1 — 3 μA.

Ha a fotodiódákban a töltéshordozók lavinaszaporodásával járó reverzibilis elektromos meghibásodást alkalmaznak, mint a félvezető zener-diódáknál, akkor a fotoáram, és ezáltal az érzékenység is jelentősen megnő.

A lavina fotodiódák érzékenysége több nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a hagyományos fotodiódáké (germániumnál 200-300-szor, szilíciumnál 104-106-szor).

A Avalanche fotodiódák nagy sebességű fotovoltaikus eszközök, amelyek frekvenciatartománya legfeljebb 10 GHz. A lavina fotodiódák hátránya a magasabb zajszint a hagyományos fotodiódákhoz képest.

Rizs. 2. A fotoellenállás (a), UGO (b), energiája (c) és áram-feszültség jellemzői (d) kapcsolási rajza

A fotodiódákon kívül fotoellenállásokat (2. ábra), fototranzisztorokat és fototirisztorokat alkalmaznak, amelyek a belső fotoelektromos hatást használják fel. Jellemző hátrányuk a nagy tehetetlenségük (korlátozó üzemi frekvencia fgr <10 – 16 kHz), ami korlátozza a felhasználásukat.

A fototranzisztor felépítése hasonló egy hagyományos tranzisztorhoz, amelynek tokban van egy ablaka, amelyen keresztül az alap megvilágítható. UGO fototranzisztor — egy tranzisztor, amelyre két nyíl mutat.

A LED-eket és a fotodiódákat gyakran párban használják.Ebben az esetben egy házban vannak elhelyezve úgy, hogy a fotodióda fényérzékeny területe a LED kibocsátó területével szemben legyen. A LED-es fotodiódákat használó félvezető eszközöket nevezzük optocsatolók (3. ábra).

Rizs. 3. Optocsatoló: 1 — LED, 2 — fotodióda

Az ilyen eszközök bemeneti és kimeneti áramkörei semmilyen módon nem kapcsolódnak elektromosan, mivel a jelet optikai sugárzás továbbítja.

Potapov L.A.