Fotodíodes: dispositiu, característiques i principis de funcionament
El fotodíode més simple és un díode semiconductor convencional que proporciona la capacitat d'influir en la radiació òptica a la unió p — n.
En l'estat d'equilibri, quan el flux de radiació està completament absent, la concentració del portador, la distribució de potencial i el diagrama de bandes d'energia del fotodíode corresponen completament a l'estructura pn habitual.
Quan s'exposa a la radiació en una direcció perpendicular al pla de la unió p-n, com a resultat de l'absorció de fotons amb energia superior a l'amplada de banda, apareixen parells electró-forat a la regió n. Aquests electrons i forats s'anomenen fotoportadors.
Durant la difusió del fotoportador profundament a la regió n, la fracció principal d'electrons i forats no té temps de recombinar-se i arriba al límit de la unió p-n. Aquí, els fotoportadors estan separats pel camp elèctric de la unió p — n i els forats passen a la regió p, i els electrons no poden superar el camp de transició i s'acumulen al límit de la unió p — n i la regió n.
Així, el corrent a través de la unió p — n es deu a la deriva dels portadors minoritaris: forats. El corrent de deriva dels fotoportadors s'anomena fotocorrent.
Els fotodíodes poden funcionar en un dels dos modes: sense una font externa d'energia elèctrica (mode fotogenerador) o amb una font externa d'energia elèctrica (mode fotoconvertidor).
Els fotodíodes que funcionen en mode fotogenerador s'utilitzen sovint com a fonts d'energia que converteixen l'energia solar en energia elèctrica. S'anomenen cèl·lules solars i formen part dels panells solars utilitzats a les naus espacials.
L'eficiència de les cèl·lules solars de silici és al voltant del 20%, mentre que per a les cèl·lules solars de pel·lícula pot ser molt més important. Els paràmetres tècnics importants de les cèl·lules solars són la relació entre la seva potència de sortida i la massa i l'àrea ocupada per la cèl·lula solar. Aquests paràmetres arriben a valors de 200 W/kg i 1 kW/m2, respectivament.
Quan el fotodíode funciona en el mode de fotoconversió, la font d'alimentació E es connecta al circuit en la direcció de bloqueig (Fig. 1, a). Les branques inverses de la característica I — V del fotodíode s'utilitzen a diferents nivells d'il·luminació (Fig. 1, b).
Arròs. 1. Esquema d'encesa del fotodíode en mode de fotoconversió: a — circuit de commutació, b — I — V característica del fotodíode
El corrent i la tensió a la resistència de càrrega Rn es poden determinar gràficament a partir dels punts d'intersecció de la característica corrent-tensió del fotodíode i la línia de càrrega corresponent a la resistència de la resistència Rn. En absència d'il·luminació, el fotodíode funciona en el mode d'un díode convencional. El corrent fosc per als fotodíodes de germani és de 10 - 30 μA, per als fotodíodes de silici 1 - 3 μA.
Si s'utilitza una avaria elèctrica reversible acompanyada d'una multiplicació d'allaus de portadors de càrrega en els fotodíodes, com en els díodes zener semiconductors, aleshores el fotocorrent, i per tant la sensibilitat, augmentarà molt.
La sensibilitat dels fotodíodes d'allau pot ser diversos ordres de magnitud superior a la dels fotodíodes convencionals (per al germani - 200 - 300 vegades, per al silici - 104 - 106 vegades).
Els fotodíodes d'allau són dispositius fotovoltaics d'alta velocitat amb un rang de freqüències de fins a 10 GHz. El desavantatge dels fotodíodes d'allau és el nivell de soroll més elevat en comparació amb els fotodíodes convencionals.
Arròs. 2. Esquema de circuits de la fotoresistència (a), UGO (b), energia (c) i característiques de corrent-tensió (d) de la fotoresistència
A més dels fotodíodes, s'utilitzen fotoresistors (figura 2), fototransistors i fototiristors, que utilitzen l'efecte fotoelèctric intern. El seu desavantatge característic és la seva alta inèrcia (freqüència de funcionament limitant fgr <10 — 16 kHz), que limita el seu ús.
El disseny del fototransistor és semblant a un transistor convencional que té una finestra en el cas per on es pot il·luminar la base. Fototransistor UGO: un transistor amb dues fletxes apuntant-hi.
Els LED i els fotodíodes s'utilitzen sovint en parells.En aquest cas, es col·loquen en una carcassa de manera que l'àrea fotosensible del fotodíode es trobi enfront de l'àrea d'emissió del LED. S'anomenen dispositius semiconductors que utilitzen parells de fotodiodes LED optoacobladors (Fig. 3).
Arròs. 3. Optoacoblador: 1 — LED, 2 — fotodiode
Els circuits d'entrada i sortida d'aquests dispositius no estan connectats elèctricament de cap manera, ja que el senyal es transmet per radiació òptica.
Potapov L.A.