Fotodiódy: zariadenie, charakteristika a princíp činnosti
Najjednoduchšou fotodiódou je konvenčná polovodičová dióda, ktorá poskytuje schopnosť ovplyvňovať optické žiarenie na p — n prechode.
V rovnovážnom stave, keď tok žiarenia úplne chýba, koncentrácia nosiča, rozloženie potenciálu a energetický pásový diagram fotodiódy plne zodpovedajú obvyklej štruktúre pn.
Pri vystavení žiareniu v smere kolmom na rovinu p-n-prechodu sa v dôsledku absorpcie fotónov s energiou väčšou ako je šírka pásma objavia v n-oblasti páry elektrón-diera. Tieto elektróny a diery sa nazývajú fotonosiče.
Počas difúzie fotonosiča hlboko do n-oblasti hlavná frakcia elektrónov a dier nemá čas na rekombináciu a dosiahne hranicu p-n prechodu. Tu sú fotonosiče oddelené elektrickým poľom p — n prechodu a diery prechádzajú do p oblasti a elektróny nedokážu prekonať prechodové pole a hromadia sa na hranici p – n prechodu a n oblasti.
Prúd cez p - n križovatku je teda spôsobený driftom menšinových nosičov - dier. Driftový prúd fotonosičov sa nazýva fotoprúd.
Fotodiódy môžu pracovať v jednom z dvoch režimov — bez externého zdroja elektrickej energie (režim fotogenerátora) alebo s externým zdrojom elektrickej energie (režim fotokonvertora).
Fotodiódy pracujúce v režime fotogenerátora sa často používajú ako zdroje energie, ktoré premieňajú slnečnú energiu na elektrickú energiu. Nazývajú sa solárne články a sú súčasťou solárnych panelov používaných v kozmických lodiach.
Účinnosť kremíkových solárnych článkov sa pohybuje okolo 20%, pričom pri fóliových solárnych článkoch to môže byť oveľa dôležitejšie. Dôležité technické parametre solárnych článkov sú pomer ich výstupného výkonu k hmotnosti a ploche, ktorú solárny článok zaberá. Tieto parametre dosahujú hodnoty 200 W / kg a 1 kW / m2.
Keď fotodióda pracuje v režime fotokonverzie, napájací zdroj E je pripojený k obvodu v smere blokovania (obr. 1, a). Reverzné vetvy I — V charakteristiky fotodiódy sa používajú pri rôznych úrovniach osvetlenia (obr. 1, b).
Ryža. 1. Schéma zapínania fotodiódy v režime fotokonverzie: a — spínací obvod, b — I — V charakteristika fotodiódy
Prúd a napätie v zaťažovacom rezistore Rn je možné určiť graficky z priesečníkov prúdovo-napäťovej charakteristiky fotodiódy a záťažovej čiary zodpovedajúcej odporu rezistora Rn. Pri absencii osvetlenia pracuje fotodióda v režime klasickej diódy. Temný prúd pre germániové fotodiódy je 10 — 30 μA, pre kremíkové fotodiódy 1 — 3 μA.
Ak sa vo fotodiódach použije reverzibilný elektrický prieraz sprevádzaný lavínovým znásobením nosičov náboja, ako v polovodičových zenerových diódach, potom sa fotoprúd a tým aj citlivosť výrazne zvýši.
Citlivosť lavínových fotodiód môže byť o niekoľko rádov vyššia ako u bežných fotodiód (pre germánium — 200 — 300-krát, pre kremík — 104 — 106-krát).
Lavínové fotodiódy sú vysokorýchlostné fotovoltaické zariadenia s frekvenčným rozsahom do 10 GHz. Nevýhodou lavínových fotodiód je vyššia hlučnosť v porovnaní s klasickými fotodiódami.
Ryža. 2. Schéma zapojenia fotorezistora (a), UGO (b), energetická (c) a prúdovo-napäťová charakteristika (d) fotorezistora
Okrem fotodiód sa používajú fotorezistory (obrázok 2), fototranzistory a fototyristory, ktoré využívajú vnútorný fotoelektrický efekt. Ich charakteristickou nevýhodou je vysoká zotrvačnosť (medzná pracovná frekvencia fgr <10 — 16 kHz), ktorá obmedzuje ich použitie.
Konštrukcia fototranzistora je podobná bežnému tranzistoru, ktorý má v puzdre okienko, cez ktoré je možné osvetliť základňu. UGO fototranzistor — tranzistor, na ktorý smerujú dve šípky.
LED a fotodiódy sa často používajú v pároch.V tomto prípade sú umiestnené v jednom kryte tak, že fotocitlivá oblasť fotodiódy je umiestnená oproti oblasti vyžarovania LED. Polovodičové zariadenia využívajúce dvojice LED-fotiód sa nazývajú optočleny (obr. 3).
Ryža. 3. Optočlen: 1 — LED, 2 — fotodióda
Vstupné a výstupné obvody v takýchto zariadeniach nie sú žiadnym spôsobom elektricky prepojené, pretože signál sa prenáša optickým žiarením.
Potapov L.A.