Fotodioder: enhet, egenskaper och funktionsprinciper
Den enklaste fotodioden är en konventionell halvledardiod som ger möjlighet att påverka optisk strålning på p-n-övergången.
I jämviktstillståndet, när strålningsflödet är helt frånvarande, motsvarar bärarkoncentrationen, potentialfördelningen och energibanddiagrammet för fotodioden helt den vanliga pn-strukturen.
När de utsätts för strålning i en riktning vinkelrät mot p-n-övergångens plan, som ett resultat av absorptionen av fotoner med energi större än bandbredden, uppstår elektron-hålpar i n-regionen. Dessa elektroner och hål kallas fotobärare.
Under fotobärardiffusion djupt in i n-regionen hinner inte huvudfraktionen av elektroner och hål rekombinera och når p-n-övergångsgränsen. Här separeras fotobärarna av det elektriska fältet i p - n-övergången och hålen passerar in i p-området, och elektronerna kan inte övervinna övergångsfältet och ackumuleras vid gränsen för p - n-övergången och n-regionen.
Strömmen genom p - n-övergången beror alltså på driften av minoritetsbärare - hål. Driftströmmen för fotobärare kallas fotoström.
Fotodioder kan fungera i ett av två lägen - utan en extern elektrisk energikälla (fotogeneratorläge) eller med en extern elektrisk energikälla (fotokonverteringsläge).
Fotodioder som arbetar i fotogeneratorläge används ofta som kraftkällor som omvandlar solenergi till elektrisk energi. De kallas solceller och är en del av solpaneler som används i rymdfarkoster.
Verkningsgraden för kiselsolceller är runt 20 %, medan det för filmsolceller kan vara mycket viktigare. Viktiga tekniska parametrar för solceller är förhållandet mellan deras uteffekt och massan och den yta som upptas av solcellen. Dessa parametrar når värden på 200 W / kg respektive 1 kW / m2.
När fotodioden arbetar i fotokonverteringsläge, är strömförsörjningen E ansluten till kretsen i blockeringsriktningen (fig. 1, a). De omvända grenarna av I-V-karakteristiken för fotodioden används vid olika belysningsnivåer (fig. 1, b).
Ris. 1. Schema för att slå på fotodioden i fotokonverteringsläge: a — kopplingskrets, b — I — V-karakteristik för fotodioden
Strömmen och spänningen i belastningsmotståndet Rn kan bestämmas grafiskt från skärningspunkterna för ström-spänningskarakteristiken för fotodioden och belastningslinjen som motsvarar motståndet Rn. I frånvaro av belysning fungerar fotodioden på samma sätt som en konventionell diod. Den mörka strömmen för germaniumfotodioder är 10 — 30 μA, för kiselfotodioder 1 — 3 μA.
Om ett reversibelt elektriskt genombrott åtföljt av lavinmultiplikation av laddningsbärare används i fotodioder, som i halvledarzenerdioder, kommer fotoströmmen och därmed känsligheten att öka kraftigt.
Känsligheten hos lavinfotodioder kan vara flera storleksordningar högre än för konventionella fotodioder (för germanium — 200 — 300 gånger, för kisel — 104 — 106 gånger).
Lavinfotodioder är höghastighetsfotovoltaiska enheter med ett frekvensområde på upp till 10 GHz. Nackdelen med lavinfotodioder är den högre brusnivån jämfört med konventionella fotodioder.
Ris. 2. Kretsschema för fotoresistorn (a), UGO (b), energi (c) och ström-spänningsegenskaper (d) för fotoresistorn
Förutom fotodioder används fotoresistorer (Figur 2), fototransistorer och fototyristorer som använder den interna fotoelektriska effekten. Deras karakteristiska nackdel är deras höga tröghet (begränsande driftfrekvens fgr <10 — 16 kHz), vilket begränsar deras användning.
Utformningen av fototransistorn liknar en konventionell transistor som har ett fönster i höljet genom vilket basen kan belysas. UGO fototransistor — en transistor med två pilar som pekar mot den.
Lysdioder och fotodioder används ofta i par.I det här fallet är de placerade i ett hölje så att fotodiodens ljuskänsliga område är beläget mittemot det emitterande området för lysdioden. Halvledarenheter som använder par av LED-fotodioder kallas optokopplare (Fig. 3).
Ris. 3. Optokopplare: 1 — LED, 2 — fotodiod
Ingångs- och utgångskretsarna i sådana enheter är inte elektriskt anslutna på något sätt, eftersom signalen sänds av optisk strålning.
Potapov L.A.