Фотодиоди: устройство, характеристики и принципи на работа

Най -простият фотодиод е конвенционален полупроводников диод, който осигурява способността да влияе върху оптичното излъчване върху p — n прехода.

В равновесно състояние, когато радиационният поток отсъства напълно, концентрацията на носителя, разпределението на потенциала и диаграмата на енергийната лента на фотодиода напълно съответстват на обичайната pn структура.

При излагане на радиация в посока, перпендикулярна на равнината на p-n-прехода, в резултат на поглъщането на фотони с енергия, по-голяма от ширината на лентата, двойки електрон-дупка се появяват в n-областта. Тези електрони и дупки се наричат фотоносители.

По време на дифузия на фотоносители дълбоко в n-региона, основната фракция от електрони и дупки няма време да се рекомбинира и достига границата на p-n прехода. Тук фотоносителите са разделени от електрическото поле на p — n прехода и дупките преминават в p областта, а електроните не могат да преодолеят преходното поле и да се натрупват на границата на p — n прехода и n областта.

По този начин токът през p — n прехода се дължи на дрейфа на малцинствени носители — дупки. Дрейфовият ток на фотоносителите се нарича фототок.

Фотоносителите-дупките зареждат р-областта положително по отношение на n-областта, а фотоносителите-електроните-n-областта отрицателно по отношение на р-областта. Получената разлика в потенциала се нарича фотоедс Ef. Генерираният ток във фотодиода е обратен, насочен е от катода към анода и стойността му е колкото по -голяма, толкова по -голяма е осветеността.

Фотодиодите могат да работят в един от двата режима — без външен източник на електрическа енергия (режим на фотогенератор) или с външен източник на електрическа енергия (режим на фотоконвертор).

Фотодиодите, работещи в режим фотогенератор, често се използват като източници на енергия, които преобразуват слънчевата енергия в електрическа. Те се наричат слънчеви клетки и са част от слънчеви панели, използвани в космическите кораби.

Ефективността на силициевите слънчеви клетки е около 20%, докато за филмовите слънчеви клетки това може да бъде много по -важно. Важни технически параметри на слънчевите клетки са съотношението на тяхната изходна мощност към масата и площта, заета от слънчевата клетка. Тези параметри достигат стойности съответно 200 W / kg и 1 kW / m2.

Когато фотодиодът работи в режим на фотоконвертиране, захранването Е е свързано към веригата в посока на блокиране (фиг. 1, а). Обратните клонове на I — V характеристиката на фотодиода се използват при различни нива на осветеност (фиг. 1, б).

Ориз. 1. Схема на включване на фотодиода в режим на фотоконверсия: а — превключваща верига, б — I — V характеристика на фотодиода

Токът и напрежението в натоварващия резистор Rн могат да се определят графично от точките на пресичане на характеристиката ток-напрежение на фотодиода и линията на натоварване, съответстваща на съпротивлението на резистора Rн. При липса на осветление фотодиодът работи в режим на конвенционален диод. Тъмният ток за германиеви фотодиоди е 10 — 30 μA, за силициеви фотодиоди 1 — 3 μA.

Ако във фотодиодите се използва обратим електрически пробив, придружен от лавинно умножение на носители на заряд, както при полупроводниковите ценерови диоди, тогава фототокът, а оттам и чувствителността, ще се увеличат значително.

Чувствителност лавинови фотодиоди може да бъде с няколко порядъка по -голям от този на конвенционалните фотодиоди (за германий — 200 — 300 пъти, за силиций — 104 — 106 пъти).

Лавиновите фотодиоди са високоскоростни фотоволтаични устройства с честотен диапазон до 10 GHz. Недостатъкът на лавиновите фотодиоди е по -високото ниво на шум в сравнение с конвенционалните фотодиоди.

Ориз. 2. Схема на включване на фоторезистора (а), UGO (б), енергията (в) и характеристиките на токово напрежение (г) на фоторезистора

В допълнение към фотодиодите се използват фоторезистори (Фигура 2), фототранзистори и фототиристорикоито използват вътрешен фотоелектричен ефект. Характерният им недостатък е тяхната висока инерция (гранична работна честота fgr <10 — 16 kHz), което ограничава използването им.

Дизайнът на фототранзистора е подобен на конвенционален транзистор, който има прозорец в кутията, през който основата може да бъде осветена. UGO фототранзистор — транзистор с две стрелки, насочени към него.

Светодиодите и фотодиодите често се използват по двойки. В този случай те се поставят в един корпус, така че фоточувствителната област на фотодиода да се намира срещу излъчващата зона на светодиода. Полупроводникови устройства, използващи двойки LED-фотодиоди, се наричат оптрони (фиг. 3).

Ориз. 3. Оптрон: 1 — LED, 2 — фотодиод

Входните и изходните вериги в такива устройства не са електрически свързани по никакъв начин, тъй като сигналът се предава чрез оптично излъчване.

Потапов Л.А.