Фотодиоде: уређај, карактеристике и принципи рада
Најједноставнија фотодиода је конвенционална полупроводничка диода која пружа могућност утицаја на оптичко зрачење на п — н споју.
У равнотежном стању, када је флукс зрачења потпуно одсутан, концентрација носиоца, расподела потенцијала и дијаграм енергетског појаса фотодиоде у потпуности одговарају уобичајеној пн структури.
Када су изложени зрачењу у правцу управном на раван п-н-споја, као резултат апсорпције фотона са енергијом већом од ширине појаса, у н-области се појављују парови електрон-рупа. Ови електрони и рупе се називају фотоносачи.
Током дифузије фотоносача дубоко у н-област, главна фракција електрона и рупа нема времена да се рекомбинује и достиже границу п-н споја. Овде су фотоносачи одвојени електричним пољем п — н споја и рупе прелазе у п област, а електрони не могу да савладају прелазно поље и акумулирају се на граници п — н споја и н региона.
Дакле, струја кроз п — н спој је последица дрифта мањинских носилаца — рупа. Струја дрифта фотоносача назива се фотоструја.
Фотодиоде могу да раде у једном од два режима — без екстерног извора електричне енергије (режим фотогенератора) или са спољним извором електричне енергије (режим фотоконвертера).
Фотодиоде које раде у режиму фотогенератора често се користе као извори енергије који претварају сунчеву енергију у електричну енергију. Зову се соларне ћелије и део су соларних панела који се користе у свемирским летелицама.
Ефикасност силицијумских соларних ћелија је око 20%, док за филмске соларне ћелије може бити много важнија. Важни технички параметри соларних ћелија су однос њихове излазне снаге према маси и површини коју соларна ћелија заузима. Ови параметри достижу вредности од 200 В / кг и 1 кВ / м2, респективно.
Када фотодиода ради у режиму фотоконверзије, напајање Е је прикључено на коло у правцу блокирања (слика 1, а). Реверзне гране И — В карактеристике фотодиоде се користе на различитим нивоима осветљења (слика 1, б).
Пиринач. 1. Шема укључивања фотодиоде у режим фотоконверзије: а — склопно коло, б — И — В карактеристика фотодиоде
Струја и напон у отпорнику оптерећења Рн могу се графички одредити из тачака пресека струјно-напонске карактеристике фотодиоде и линије оптерећења која одговара отпору отпорника Рн. У недостатку осветљења, фотодиода ради у режиму конвенционалне диоде. Тамна струја за германијумске фотодиоде је 10 — 30 μА, за силицијумске фотодиоде 1 — 3 μА.
Ако се у фотодиодама користи реверзибилни електрични слом праћен лавинским умножавањем носилаца наелектрисања, као у полупроводничким зенер диодама, онда ће се фотоструја, а самим тим и осетљивост, знатно повећати.
Осетљивост лавинских фотодиода може бити за неколико редова величине већа од оне код конвенционалних фотодиода (за германијум — 200 — 300 пута, за силицијум — 104 — 106 пута).
Аваланцхе фотодиоде су фотонапонски уређаји велике брзине са фреквенцијским опсегом до 10 ГХз. Недостатак лавинских фотодиода је виши ниво буке у поређењу са конвенционалним фотодиодама.
Пиринач. 2. Шема кола фотоотпорника (а), УГО (б), енергетске (ц) и струјно-напонске карактеристике (д) фотоотпорника.
Поред фотодиода користе се фотоотпорници (слика 2), фототранзистори и фототиристори који користе унутрашњи фотоелектрични ефекат. Њихов карактеристичан недостатак је велика инерција (гранична радна фреквенција фгр <10 — 16 кХз), што ограничава њихову употребу.
Дизајн фототранзистора је сличан конвенционалном транзистору који има прозор у кућишту кроз који се база може осветлити. УГО фототранзистор — транзистор са две стрелице усмерене на њега.
ЛЕД диоде и фотодиоде се често користе у пару.У овом случају се постављају у једно кућиште тако да се фотоосетљива област фотодиоде налази насупрот области емитовања ЛЕД диоде. Полупроводнички уређаји који користе парове ЛЕД-фотодиода називају се оптокаплери (слика 3).
Пиринач. 3. Оптоцоуплер: 1 — ЛЕД, 2 — фотодиода
Улазна и излазна кола у таквим уређајима нису ни на који начин електрично повезана, пошто се сигнал преноси оптичким зрачењем.
Потапов Л.А.