Fotodioder: enhed, egenskaber og funktionsprincipper

Den enkleste fotodiode er en konventionel halvlederdiode, der giver mulighed for at påvirke optisk stråling på p - n krydset.

I ligevægtstilstanden, når strålingsfluxen er fuldstændig fraværende, svarer fotodiodens bærerkoncentration, potentialfordeling og energibånddiagram fuldt ud til den sædvanlige pn-struktur.

Når de udsættes for stråling i en retning vinkelret på p-n-forbindelsens plan, som et resultat af absorptionen af ​​fotoner med energi større end båndbredden, opstår elektron-hul-par i n-området. Disse elektroner og huller kaldes fotobærere.

Under fotobærediffusion dybt ind i n-regionen har hovedfraktionen af ​​elektroner og huller ikke tid til at rekombinere og når p-n-forbindelsesgrænsen. Her er fotobærerne adskilt af det elektriske felt i p - n-krydset, og hullerne passerer ind i p-området, og elektronerne kan ikke overvinde overgangsfeltet og akkumuleres ved grænsen af ​​p - n-krydset og n-området.

Strømmen gennem p - n krydset skyldes således driften af ​​minoritetsbærere - huller. Fotobærernes driftstrøm kaldes fotostrøm.

Fotobærere-huller oplader p-området positivt i forhold til n-området, og fotobærere-elektroner-n-området negativt i forhold til p-området. Den resulterende potentialforskel kaldes det fotoelektriske potentiale Ef. Den genererede strøm i fotodioden vendes, den ledes fra katoden til anoden, og dens værdi er jo større, jo større belysning.

Fotodioder kan fungere i en af ​​to tilstande - uden en ekstern kilde til elektrisk energi (fotogeneratortilstand) eller med en ekstern kilde til elektrisk energi (fotokonvertertilstand).

Fotodioder, der fungerer i fotogeneratortilstand, bruges ofte som strømkilder, der konverterer solenergi til elektrisk energi. De kaldes solceller og er en del af solpaneler, der bruges i rumfartøjer.

Effektiviteten af ​​siliciumsolceller er omkring 20 %, mens det for filmsolceller kan være meget vigtigere. Vigtige tekniske parametre for solceller er forholdet mellem deres udgangseffekt og massen og det areal, som solcellen optager. Disse parametre når værdier på henholdsvis 200 W / kg og 1 kW / m2.

Når fotodioden arbejder i fotokonverteringstilstand, er strømforsyningen E forbundet til kredsløbet i blokeringsretningen (fig. 1, a). De omvendte grene af I - V-karakteristikken for fotodioden bruges ved forskellige belysningsniveauer (fig. 1, b).

Ris. 1. Skema til at tænde fotodioden i fotokonverteringstilstand: a — koblingskredsløb, b — I — V-karakteristik for fotodioden

Strømmen og spændingen i belastningsmodstanden Rn kan bestemmes grafisk ud fra skæringspunkterne mellem fotodiodens strømspændingskarakteristik og belastningslinjen svarende til modstanden Rn. I mangel af belysning fungerer fotodioden på samme måde som en konventionel diode. Mørkestrømmen for germaniumfotodioder er 10 — 30 μA, for siliciumfotodioder 1 — 3 μA.

Hvis et reversibelt elektrisk nedbrud ledsaget af lavinemultiplikation af ladningsbærere anvendes i fotodioder, som i halvlederzenerdioder, så vil fotostrømmen, og dermed følsomheden, blive stærkt forøget.

Følsomheden af ​​lavinefotodioder kan være flere størrelsesordener højere end for konventionelle fotodioder (for germanium - 200 - 300 gange, for silicium - 104 - 106 gange).

Avalanche fotodioder er højhastigheds fotovoltaiske enheder med et frekvensområde på op til 10 GHz. Ulempen ved lavinefotodioder er det højere støjniveau sammenlignet med konventionelle fotodioder.

Ris. 2. Kredsdiagram over fotomodstanden (a), UGO (b), energi (c) og strømspændingskarakteristika (d) for fotomodstanden

Ud over fotodioder anvendes fotomodstande (figur 2), fototransistorer og fototyristorer, som bruger den interne fotoelektriske effekt. Deres karakteristiske ulempe er deres høje inerti (begrænsende driftsfrekvens fgr <10 — 16 kHz), hvilket begrænser deres anvendelse.

Udformningen af ​​fototransistoren ligner en konventionel transistor, der har et vindue i kabinettet, hvorigennem basen kan belyses. UGO fototransistor — en transistor med to pile, der peger på den.

LED'er og fotodioder bruges ofte i par.I dette tilfælde er de placeret i et hus, så det lysfølsomme område af fotodioden er placeret modsat det udsendende område af LED'en. Halvlederenheder, der bruger par af LED-fotodioder, kaldes optokoblere (Fig. 3).

Ris. 3. Optokobler: 1 — LED, 2 — fotodiode

Indgangs- og udgangskredsløbene i sådanne enheder er ikke elektrisk forbundet på nogen måde, da signalet transmitteres af optisk stråling.

Potapov L.A.