Fotodiode: dispozitiv, caracteristici și principii de funcționare

Cea mai simplă fotodiodă este o diodă semiconductoare convențională care oferă capacitatea de a influența radiația optică pe joncțiunea p — n.

În starea de echilibru, când fluxul de radiație este complet absent, concentrația purtătorului, distribuția potențialului și diagrama benzii de energie a fotodiodei corespund pe deplin structurii pn obișnuite.

Când sunt expuse la radiații într-o direcție perpendiculară pe planul joncțiunii p-n, ca urmare a absorbției fotonilor cu energie mai mare decât lățimea benzii, perechile electron-gaură apar în regiunea n. Acești electroni și găuri se numesc fotopurtători.

În timpul difuziei fotopurtătorului adânc în regiunea n, fracția principală de electroni și găuri nu are timp să se recombine și ajunge la limita joncțiunii p-n. Aici, fotopurtătorii sunt separați de câmpul electric al joncțiunii p — n și găurile trec în regiunea p, iar electronii nu pot depăși câmpul de tranziție și se acumulează la limita joncțiunii p — n și a regiunii n.

Astfel, curentul prin joncțiunea p — n se datorează derivei purtătorilor minoritari - găuri. Curentul de deriva al fotopurtătorilor se numește fotocurent.

Fotopurtătorii-găuri încarcă regiunea p pozitiv în raport cu regiunea n, iar fotopurtătorii-electroni - regiunea n negativ în raport cu regiunea p. Diferența de potențial rezultată se numește potențial fotoelectric Ef. Curentul generat în fotodiodă este inversat, este direcționat de la catod către anod, iar valoarea lui este cu atât mai mare, cu cât iluminarea este mai mare.

Fotodiodele pot funcționa în unul dintre cele două moduri - fără o sursă externă de energie electrică (mod fotogenerator) sau cu o sursă externă de energie electrică (mod fotoconvertor).

Fotodiodele care funcționează în modul fotogenerator sunt adesea folosite ca surse de energie care convertesc energia solară în energie electrică. Ele se numesc celule solare și fac parte din panourile solare utilizate în navele spațiale.

Eficiența celulelor solare cu siliciu este de aproximativ 20%, în timp ce pentru celulele solare cu film poate fi mult mai importantă. Parametrii tehnici importanți ai celulelor solare sunt raportul dintre puterea lor de ieșire și masa și suprafața ocupată de celula solară. Acești parametri ajung la valori de 200 W/kg și, respectiv, 1 kW/m2.

Când fotodioda funcționează în modul de fotoconversie, sursa de alimentare E este conectată la circuit în direcția de blocare (Fig. 1, a). Ramurile inverse ale caracteristicii I — V ale fotodiodei sunt utilizate la diferite niveluri de iluminare (Fig. 1, b).

Orez. 1. Schema de pornire a fotodiodei în modul de fotoconversie: a — circuit de comutare, b — I — V caracteristica fotodiodei

Curentul și tensiunea din rezistorul de sarcină Rn pot fi determinate grafic din punctele de intersecție ale caracteristicii curent-tensiune a fotodiodei și linia de sarcină corespunzătoare rezistenței rezistorului Rn. În absența iluminării, fotodioda funcționează în modul unei diode convenționale. Curentul de întuneric pentru fotodiodele cu germaniu este de 10 — 30 μA, pentru fotodiodele cu siliciu 1 — 3 μA.

Dacă o defecțiune electrică reversibilă însoțită de multiplicarea prin avalanșă a purtătorilor de sarcină este utilizată în fotodiode, ca și în diodele zener semiconductoare, atunci fotocurentul și, prin urmare, sensibilitatea, vor fi mult crescute.

Sensibilitatea fotodiodelor de avalanșă poate fi de câteva ordine de mărime mai mare decât cea a fotodiodelor convenționale (pentru germaniu — 200 — 300 ori, pentru siliciu — 104 — 106 ori).

Fotodiodele avalanșă sunt dispozitive fotovoltaice de mare viteză cu o gamă de frecvență de până la 10 GHz. Dezavantajul fotodiodelor de avalanșă este nivelul de zgomot mai mare în comparație cu fotodiodele convenționale.

Orez. 2. Schema circuitului fotorezistorului (a), UGO (b), energiei (c) și caracteristicilor curent-tensiune (d) ale fotorezistorului

Pe lângă fotodiode, se folosesc fotorezistoare (Figura 2), fototranzistoare și fototiristoare, care utilizează efectul fotoelectric intern. Dezavantajul lor caracteristic este inerția lor mare (limitând frecvența de operare fgr <10 — 16 kHz), ceea ce limitează utilizarea lor.

Designul fototranzistorului este similar cu un tranzistor convențional care are o fereastră în carcasă prin care baza poate fi iluminată. Fototranzistor UGO — un tranzistor cu două săgeți îndreptate spre el.

LED-urile și fotodiodele sunt adesea folosite în perechi.În acest caz, acestea sunt plasate într-o singură carcasă, astfel încât zona fotosensibilă a fotodiodei să fie situată vizavi de zona de emisie a LED-ului. Dispozitivele semiconductoare care folosesc perechi de fotodiode LED sunt numite optocuplere (Fig. 3).

Orez. 3. Optocupler: 1 — LED, 2 — fotodiodă

Circuitele de intrare și ieșire din astfel de dispozitive nu sunt conectate electric în niciun fel, deoarece semnalul este transmis prin radiație optică.

Potapov L.A.