Fotodiode: uređaj, karakteristike i principi rada
Najjednostavnija fotodioda je konvencionalna poluvodička dioda koja pruža mogućnost utjecaja na optičko zračenje na p-n spoju.
U stanju ravnoteže, kada je tok zračenja potpuno odsutan, koncentracija nositelja, raspodjela potencijala i dijagram energetskog pojasa fotodiode u potpunosti odgovaraju uobičajenoj pn strukturi.
Pri izlaganju zračenju u smjeru okomitom na ravninu p-n-spoja, kao rezultat apsorpcije fotona s energijom većom od širine pojasa, u n-području se pojavljuju parovi elektron-šupljina. Ti elektroni i rupe nazivaju se fotonosači.
Tijekom difuzije fotonosača duboko u n-područje, glavni dio elektrona i šupljina nema vremena za rekombinaciju i doseže granicu p-n spoja. Ovdje se fotonosači razdvajaju električnim poljem p — n spoja i rupe prelaze u p područje, a elektroni ne mogu prevladati prijelazno polje i nakupljaju se na granici p — n spoja i n područja.
Dakle, struja kroz p — n spoj nastaje zbog pomicanja manjinskih nositelja — rupa. Drift struja fotonosača naziva se fotostruja.
Fotodiode mogu raditi u jednom od dva načina — bez vanjskog izvora električne energije (način fotogeneratora) ili s vanjskim izvorom električne energije (način fotopretvornika).
Fotodiode koje rade u fotogeneratorskom načinu rada često se koriste kao izvori energije koji pretvaraju sunčevu energiju u električnu. Zovu se solarne ćelije i dio su solarnih ploča koje se koriste u svemirskim letjelicama.
Učinkovitost silicijevih solarnih ćelija je oko 20%, dok kod filmskih solarnih ćelija može biti puno važnija. Važni tehnički parametri solarnih ćelija su omjer njihove izlazne snage prema masi i površini koju solarna ćelija zauzima. Ovi parametri dosežu vrijednosti od 200 W / kg, odnosno 1 kW / m2.
Kada fotodioda radi u načinu fotokonverzije, napajanje E je spojeno na krug u smjeru blokiranja (slika 1, a). Reverzne grane I - V karakteristike fotodiode koriste se na različitim razinama osvjetljenja (slika 1, b).
Riža. 1. Shema uključivanja fotodiode u načinu rada fotokonverzije: a — sklopni krug, b — I — V karakteristika fotodiode
Struja i napon u otporniku opterećenja Rn mogu se grafički odrediti iz točaka sjecišta strujno-naponske karakteristike fotodiode i linije opterećenja koja odgovara otporu otpornika Rn. U nedostatku osvjetljenja, fotodioda radi u načinu rada konvencionalne diode. Tamna struja za germanijske fotodiode iznosi 10 — 30 μA, za silicijske fotodiode 1 — 3 μA.
Ako se reverzibilni električni slom popraćen lavinskim umnažanjem nositelja naboja koristi u fotodiodama, kao u poluvodičkim zener diodama, tada će se fotostruja, a time i osjetljivost, znatno povećati.
Osjetljivost lavinskih fotodioda može biti nekoliko redova veličine veća od one konvencionalnih fotodioda (za germanij - 200 - 300 puta, za silicij - 104 - 106 puta).
Lavinske fotodiode su fotonaponski uređaji velike brzine s frekvencijskim rasponom do 10 GHz. Nedostatak lavinskih fotodioda je viša razina šuma u odnosu na konvencionalne fotodiode.
Riža. 2. Dijagram spoja fotootpornika (a), UGO (b), energetske (c) i strujno-naponske karakteristike (d) fotootpornika
Osim fotodioda koriste se fotootpornici (slika 2), fototranzistori i fototiristori koji koriste unutarnji fotoelektrični efekt. Njihov karakteristični nedostatak je velika inercija (granična radna frekvencija fgr <10 — 16 kHz), što ograničava njihovu upotrebu.
Dizajn fototranzistora sličan je konvencionalnom tranzistoru koji ima prozor u kućištu kroz koji se može osvijetliti baza. UGO fototranzistor — tranzistor prema kojem pokazuju dvije strelice.
LED i fotodiode često se koriste u paru.U ovom slučaju, oni su smješteni u jedno kućište tako da se fotoosjetljivo područje fotodiode nalazi nasuprot području emitiranja LED-a. Pozivaju se poluvodički uređaji koji koriste parove LED-fotodioda optokapleri (slika 3).
Riža. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — fotodioda
Ulazni i izlazni krugovi u takvim uređajima nisu ni na koji način električno povezani, budući da se signal prenosi optičkim zračenjem.
Potapov L.A.