Fotodiode: naprava, značilnosti in principi delovanja
Najenostavnejša fotodioda je običajna polprevodniška dioda, ki omogoča vpliv optičnega sevanja na p-n spoj.
V ravnotežnem stanju, ko je tok sevanja popolnoma odsoten, koncentracija nosilcev, porazdelitev potenciala in energijski pasovni diagram fotodiode popolnoma ustrezajo običajni strukturi pn.
Pri izpostavljenosti sevanju v smeri, ki je pravokotna na ravnino p-n-spojnice, se zaradi absorpcije fotonov z energijo, večjo od širine pasu, v n-območju pojavijo pari elektron-luknja. Te elektrone in luknje imenujemo fotonosilci.
Med difuzijo fotonosilcev globoko v n-območje glavni del elektronov in lukenj nima časa za rekombinacijo in doseže mejo p-n spoja. Tu so fotonosilci ločeni z električnim poljem p — n spoja in luknje preidejo v p območje, elektroni pa ne morejo premagati prehodnega polja in se kopičijo na meji p — n spoja in n območja.
Tako je tok skozi p-n spoj posledica odnašanja manjšinskih nosilcev - lukenj. Driftni tok fotonosilcev imenujemo fototok.
Fotodiode lahko delujejo v enem od dveh načinov — brez zunanjega vira električne energije (način fotogeneratorja) ali z zunanjim virom električne energije (način fotopretvornika).
Fotodiode, ki delujejo v načinu fotogeneratorja, se pogosto uporabljajo kot viri energije, ki pretvarjajo sončno energijo v električno energijo. Imenujejo se sončne celice in so del sončnih kolektorjev, ki se uporabljajo v vesoljskih plovilih.
Izkoristek silicijevih sončnih celic je okoli 20 %, pri filmskih sončnih celicah pa je lahko veliko pomembnejši. Pomembna tehnična parametra sončnih celic sta razmerje med njihovo izhodno močjo in maso ter površino, ki jo sončna celica zaseda. Ti parametri dosegajo vrednosti 200 W / kg oziroma 1 kW / m2.
Ko fotodioda deluje v načinu fotokonverzije, je napajalnik E priključen na vezje v smeri blokiranja (slika 1, a). Povratne veje I-V karakteristike fotodiode se uporabljajo pri različnih stopnjah osvetlitve (slika 1, b).
riž. 1. Shema vklopa fotodiode v načinu fotopretvorbe: a - preklopno vezje, b - I - V značilnost fotodiode
Tok in napetost v bremenskem uporu Rn je mogoče grafično določiti iz presečišč tokovno-napetostne karakteristike fotodiode in bremenske črte, ki ustreza uporu upora Rn. V odsotnosti osvetlitve fotodioda deluje v načinu običajne diode. Temni tok za germanijeve fotodiode je 10-30 μA, za silicijeve fotodiode 1-3 μA.
Če se v fotodiodah uporabi reverzibilna električna razgradnja, ki jo spremlja plazovito množenje nosilcev naboja, kot v polprevodniških zener diodah, se fototok in s tem občutljivost močno povečata.
Občutljivost lavinskih fotodiod je lahko za več vrst velikosti višja od običajnih fotodiod (za germanij - 200-300-krat, za silicij - 104-106-krat).
Lavinske fotodiode so fotovoltaične naprave visoke hitrosti s frekvenčnim območjem do 10 GHz. Slabost lavinskih fotodiod je višja raven šuma v primerjavi s klasičnimi fotodiodami.
riž. 2. Shema vezja fotoupora (a), UGO (b), energijske (c) in tokovno-napetostne karakteristike (d) fotoupora
Poleg fotodiod se uporabljajo fotoupori (slika 2), fototranzistorji in fototiristorji, ki izkoriščajo notranji fotoelektrični učinek. Njihova značilna pomanjkljivost je visoka vztrajnost (mejna delovna frekvenca fgr <10 — 16 kHz), kar omejuje njihovo uporabo.
Zasnova fototranzistorja je podobna običajnemu tranzistorju, ki ima v ohišju okno, skozi katerega je mogoče osvetliti bazo. Fototranzistor UGO — tranzistor, na katerega kažeta dve puščici.
LED in fotodiode se pogosto uporabljajo v parih.V tem primeru so nameščeni v enem ohišju, tako da je fotoobčutljivo območje fotodiode nameščeno nasproti oddajnega območja LED. Imenujejo se polprevodniške naprave, ki uporabljajo pare LED-fotodiod optični sklopniki (slika 3).
riž. 3. Optični sklopnik: 1 — LED, 2 — fotodioda
Vhodna in izhodna vezja v takšnih napravah nikakor niso električno povezana, saj se signal prenaša z optičnim sevanjem.
Potapov L.A.