Fotodioder: enhet, egenskaper og operasjonsprinsipper

Den enkleste fotodioden er en konvensjonell halvlederdiode som gir muligheten til å påvirke optisk stråling på p-n-krysset.

I likevektstilstanden, når strålingsfluksen er helt fraværende, samsvarer bærerkonsentrasjonen, potensialfordelingen og energibånddiagrammet til fotodioden fullt ut til den vanlige pn-strukturen.

Når de utsettes for stråling i en retning vinkelrett på planet til p-n-krysset, som et resultat av absorpsjon av fotoner med energi større enn båndbredden, vises elektron-hull-par i n-regionen. Disse elektronene og hullene kalles fotobærere.

Under fotobærediffusjon dypt inn i n-regionen har ikke hovedfraksjonen av elektroner og hull tid til å rekombinere og når p-n-kryssgrensen. Her er fotobærerne atskilt av det elektriske feltet til p — n-krysset og hullene går inn i p-området, og elektronene kan ikke overvinne overgangsfeltet og akkumuleres ved grensen til p-n-krysset og n-området.

Dermed er strømmen gjennom p - n-krysset på grunn av driften av minoritetsbærere - hull. Drivstrømmen til fotobærere kalles fotostrøm.

Fotobærere-hull lader p-området positivt i forhold til n-området, og fotobærere-elektroner-n-området negativt i forhold til p-området. Den resulterende potensialforskjellen kalles det fotoelektriske potensialet Ef. Den genererte strømmen i fotodioden reverseres, den rettes fra katoden til anoden, og dens verdi er jo større, jo større belysning.

Fotodioder kan fungere i en av to moduser - uten en ekstern kilde til elektrisk energi (fotogeneratormodus) eller med en ekstern kilde til elektrisk energi (fotokonverteringsmodus).

Fotodioder som opererer i fotogeneratormodus brukes ofte som strømkilder som konverterer solenergi til elektrisk energi. De kalles solceller og er en del av solcellepaneler som brukes i romfartøy.

Effektiviteten til silisiumsolceller er rundt 20 %, mens det for filmsolceller kan være mye viktigere. Viktige tekniske parametere for solceller er forholdet mellom deres utgangseffekt og massen og arealet som er okkupert av solcellen. Disse parameterne når verdier på henholdsvis 200 W / kg og 1 kW / m2.

Når fotodioden opererer i fotokonverteringsmodus, kobles strømforsyningen E til kretsen i blokkeringsretningen (fig. 1, a). De omvendte grenene til I - V-karakteristikken til fotodioden brukes ved forskjellige belysningsnivåer (fig. 1, b).

Ris. 1. Skjema for å slå på fotodioden i fotokonverteringsmodus: a — svitsjekrets, b — I — V-karakteristikk for fotodioden

Strømmen og spenningen i belastningsmotstanden Rn kan bestemmes grafisk fra skjæringspunktene for strøm-spenningskarakteristikken til fotodioden og belastningslinjen som tilsvarer motstanden til motstanden Rn. I fravær av belysning fungerer fotodioden i modusen til en konvensjonell diode. Mørkestrømmen for germaniumfotodioder er 10 — 30 μA, for silisiumfotodioder 1 — 3 μA.

Hvis et reversibelt elektrisk sammenbrudd ledsaget av skredmultiplikasjon av ladningsbærere brukes i fotodioder, som i halvleder-zenerdioder, vil fotostrømmen, og dermed følsomheten, økes kraftig.

Følsomheten til skredfotodioder kan være flere størrelsesordener høyere enn for konvensjonelle fotodioder (for germanium - 200 - 300 ganger, for silisium - 104 - 106 ganger).

Skredfotodioder er høyhastighets fotovoltaiske enheter med et frekvensområde på opptil 10 GHz. Ulempen med skredfotodioder er det høyere støynivået sammenlignet med konvensjonelle fotodioder.

Ris. 2. Kretsdiagram for fotomotstanden (a), UGO (b), energi (c) og strømspenningskarakteristikk (d) til fotomotstanden

I tillegg til fotodioder brukes fotomotstander (Figur 2), fototransistorer og fototyristorer, som bruker den interne fotoelektriske effekten. Deres karakteristiske ulempe er deres høye treghet (begrensende driftsfrekvens fgr <10 — 16 kHz), som begrenser bruken.

Utformingen av fototransistoren ligner på en konvensjonell transistor som har et vindu i kabinettet som basen kan belyses gjennom. UGO fototransistor - en transistor med to piler som peker på den.

LED og fotodioder brukes ofte i par.I dette tilfellet er de plassert i ett hus slik at det lysfølsomme området til fotodioden er plassert på motsatt side av lysdiodens emitterende område. Halvlederenheter som bruker par av LED-fotodioder kalles optokoblere (Fig. 3).

Ris. 3. Optokobler: 1 — LED, 2 — fotodiode

Inngangs- og utgangskretsene i slike enheter er ikke elektrisk koblet på noen måte, siden signalet overføres av optisk stråling.

Potapov L.A.