Fotodiody: urządzenie, charakterystyka i zasada działania

Najprostszą fotodiodą jest konwencjonalna dioda półprzewodnikowa, która zapewnia możliwość wpływania na promieniowanie optyczne na złączu p — n.

W stanie równowagi, gdy strumień promieniowania jest całkowicie nieobecny, koncentracja nośników, rozkład potencjału i wykres pasmowy energii fotodiody w pełni odpowiadają zwykłej strukturze pn.

Pod wpływem promieniowania w kierunku prostopadłym do płaszczyzny złącza p-n, w wyniku absorpcji fotonów o energii większej niż szerokość pasma, w obszarze n pojawiają się pary elektron-dziura. Te elektrony i dziury nazywane są fotonośnikami.

Podczas dyfuzji fotonośników w głąb regionu n główna frakcja elektronów i dziur nie ma czasu na rekombinację i dociera do granicy złącza p-n. Tutaj fotonośniki są oddzielone polem elektrycznym złącza p — n, a dziury przechodzą do obszaru p, a elektrony nie mogą pokonać pola przejściowego i gromadzą się na granicy złącza p — n i obszaru n.

Zatem prąd płynący przez złącze p — n wynika z dryfu nośników mniejszościowych — dziur. Prąd dryfowy fotonośników nazywany jest fotoprądem.

Fotonośniki-dziury ładują obszar p dodatnio w stosunku do regionu n, a fotonośniki-elektrony-region n ujemnie w odniesieniu do regionu p. Powstała różnica potencjałów nazywana jest potencjałem fotoelektrycznym Ef. Prąd generowany w fotodiodzie jest odwrócony, jest kierowany od katody do anody, a jego wartość jest tym większa, im większe jest oświetlenie.

Fotodiody mogą pracować w jednym z dwóch trybów — bez zewnętrznego źródła energii elektrycznej (tryb fotogeneratora) lub z zewnętrznym źródłem energii elektrycznej (tryb fotokonwertera).

Fotodiody pracujące w trybie fotogeneratorowym są często wykorzystywane jako źródła zasilania przetwarzające energię słoneczną na energię elektryczną. Nazywa się je ogniwami słonecznymi i są one częścią paneli słonecznych stosowanych w statkach kosmicznych.

Sprawność krzemowych ogniw słonecznych wynosi około 20%, podczas gdy w przypadku foliowych ogniw słonecznych może to być znacznie ważniejsze. Ważnymi parametrami technicznymi ogniw słonecznych jest stosunek ich mocy wyjściowej do masy i powierzchni zajmowanej przez ogniwo słoneczne. Parametry te osiągają odpowiednio wartości 200 W/kg i 1 kW/m2.

Gdy fotodioda działa w trybie fotokonwersji, zasilacz E jest podłączony do obwodu w kierunku blokowania (ryc. 1, a). Odwrotne gałęzie charakterystyki I — V fotodiody są stosowane przy różnych poziomach oświetlenia (ryc. 1, b).

Ryż. 1. Schemat załączenia fotodiody w trybie fotokonwersji: a — obwód przełączający, b — I — charakterystyka V fotodiody

Prąd i napięcie w rezystorze obciążenia Rn można wyznaczyć graficznie z punktów przecięcia charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody i linii obciążenia odpowiadającej rezystancji rezystora Rn. W przypadku braku oświetlenia fotodioda działa w trybie konwencjonalnej diody. Prąd ciemny dla fotodiod germanowych wynosi 10 — 30 μA, dla fotodiod krzemowych 1 — 3 μA.

Jeśli w fotodiodach, podobnie jak w półprzewodnikowych diodach Zenera, zastosuje się odwracalną awarię elektryczną, której towarzyszy lawinowe zwielokrotnienie nośników ładunku, wówczas fotoprąd, a tym samym czułość, zostanie znacznie zwiększony.

Czułość fotodiod lawinowych może być o kilka rzędów wielkości wyższa niż fotodiod konwencjonalnych (dla germanu — 200 — 300 razy, dla krzemu — 104 — 106 razy).

Fotodiody lawinowe to szybkie urządzenia fotowoltaiczne o zakresie częstotliwości do 10 GHz. Wadą fotodiod lawinowych jest wyższy poziom szumów w porównaniu z fotodiodami konwencjonalnymi.

Ryż. 2. Schemat obwodu fotorezystora (a), UGO (b), charakterystyka energetyczna (c) i prądowo-napięciowa (d) fotorezystora

Oprócz fotodiod stosuje się fotorezystory (rysunek 2), fototranzystory i fototyrystory, które wykorzystują wewnętrzny efekt fotoelektryczny. Ich charakterystyczną wadą jest duża bezwładność (ograniczająca częstotliwość pracy fgr <10 — 16 kHz), co ogranicza ich zastosowanie.

Konstrukcja fototranzystora jest podobna do konwencjonalnego tranzystora, który ma okienko w obudowie, przez które można oświetlić podstawę. Fototranzystor UGO — tranzystor z dwiema strzałkami skierowanymi w jego stronę.

Diody LED i fotodiody są często używane parami.W tym przypadku są one umieszczone w jednej obudowie tak, aby światłoczuły obszar fotodiody znajdował się naprzeciwko obszaru emitującego diody LED. Nazywa się urządzenia półprzewodnikowe wykorzystujące pary fotodiod LED transoptory (Rys. 3).

Ryż. 3. Transoptor: 1 — LED, 2 — fotodioda

Obwody wejściowe i wyjściowe w takich urządzeniach nie są w żaden sposób połączone elektrycznie, ponieważ sygnał jest transmitowany przez promieniowanie optyczne.

Potapow LA