Fotodiod: peranti, ciri dan prinsip operasi

Fotodiod termudah ialah diod semikonduktor konvensional yang menyediakan keupayaan untuk mempengaruhi sinaran optik pada simpang p — n.

Dalam keadaan keseimbangan, apabila fluks sinaran tidak hadir sepenuhnya, kepekatan pembawa, taburan potensi dan gambar rajah jalur tenaga fotodiod sepadan sepenuhnya dengan struktur pn biasa.

Apabila terdedah kepada sinaran dalam arah yang berserenjang dengan satah simpang p-n, akibat daripada penyerapan foton dengan tenaga yang lebih besar daripada lebar jalur, pasangan lubang elektron muncul dalam rantau n. Elektron dan lubang ini dipanggil pembawa foto.

Semasa resapan pembawa foto jauh ke dalam rantau n, pecahan utama elektron dan lubang tidak mempunyai masa untuk bergabung semula dan mencapai sempadan simpang p-n. Di sini, pembawa foto dipisahkan oleh medan elektrik simpang p - n dan lubang masuk ke kawasan p, dan elektron tidak dapat mengatasi medan peralihan dan terkumpul di sempadan simpang p - n dan kawasan n.

Oleh itu, arus melalui simpang p — n adalah disebabkan oleh hanyutan pembawa minoriti — lubang. Arus hanyutan pembawa foto dipanggil arus foto.

Lubang-pembawa foto mengecas kawasan-p secara positif berkenaan dengan rantau-n, dan elektron-pembawa foto-rantau-n secara negatif berkenaan dengan wilayah-p. Beza keupayaan yang terhasil dipanggil keupayaan fotoelektrik Ef. Arus yang dihasilkan dalam fotodiod diterbalikkan, ia diarahkan dari katod ke anod, dan nilainya adalah lebih besar, lebih besar pencahayaan.

Photodiod boleh beroperasi dalam satu daripada dua mod — tanpa sumber tenaga elektrik luaran (mod photogenerator) atau dengan sumber tenaga elektrik luaran (mod photoconverter).

Fotodiod yang beroperasi dalam mod penjana foto sering digunakan sebagai sumber kuasa yang menukar tenaga suria kepada tenaga elektrik. Ia dipanggil sel solar dan merupakan sebahagian daripada panel solar yang digunakan dalam kapal angkasa.

Kecekapan sel solar silikon adalah sekitar 20%, manakala untuk sel solar filem ia boleh menjadi lebih penting. Parameter teknikal penting sel suria ialah nisbah kuasa keluarannya kepada jisim dan kawasan yang diduduki oleh sel suria. Parameter ini mencapai nilai 200 W / kg dan 1 kW / m2, masing-masing.

Apabila fotodiod beroperasi dalam mod penukaran foto, bekalan kuasa E disambungkan ke litar dalam arah menyekat (Rajah 1, a). Cawangan terbalik bagi ciri I - V fotodiod digunakan pada tahap pencahayaan yang berbeza (Rajah 1, b).

nasi. 1. Skim menghidupkan fotodiod dalam mod penukaran foto: a — litar pensuisan, b — I — V ciri fotodiod

Arus dan voltan dalam perintang beban Rn boleh ditentukan secara grafik dari titik persilangan ciri voltan arus fotodiod dan garis beban yang sepadan dengan rintangan perintang Rn. Sekiranya tiada pencahayaan, fotodiod berfungsi dalam mod diod konvensional. Arus gelap untuk fotodiod germanium ialah 10 — 30 μA, untuk fotodiod silikon 1 — 3 μA.

Jika kerosakan elektrik boleh balik yang disertai dengan pendaraban salji bagi pembawa cas digunakan dalam fotodiod, seperti dalam diod zener semikonduktor, maka arus foto, dan dengan itu kepekaan, akan meningkat dengan banyak.

Kepekaan fotodiod salji boleh menjadi beberapa urutan magnitud lebih tinggi daripada fotodiod konvensional (untuk germanium - 200 - 300 kali, untuk silikon - 104 - 106 kali).

Fotodiod Avalanche ialah peranti fotovoltaik berkelajuan tinggi dengan julat frekuensi sehingga 10 GHz. Kelemahan fotodiod avalanche adalah tahap hingar yang lebih tinggi berbanding fotodiod konvensional.

nasi. 2. Gambar rajah litar fotoperintang (a), UGO (b), tenaga (c) dan ciri voltan arus (d) fotoperintang

Selain fotodiod, photoresistors (Rajah 2), phototransistor dan photothyristors digunakan, yang menggunakan kesan fotoelektrik dalaman. Kelemahan ciri mereka ialah inersia yang tinggi (mengehadkan frekuensi operasi fgr <10 — 16 kHz), yang mengehadkan penggunaannya.

Reka bentuk phototransistor adalah serupa dengan transistor konvensional yang mempunyai tingkap dalam kes di mana tapak boleh diterangi. Fototransistor UGO — transistor dengan dua anak panah menghala ke arahnya.

LED dan fotodiod sering digunakan secara berpasangan.Dalam kes ini, ia diletakkan di dalam satu perumahan supaya kawasan fotosensitif fotodiod terletak bertentangan dengan kawasan pemancar LED. Peranti semikonduktor menggunakan pasangan LED-fotodiod dipanggil optocoupler (Gamb. 3).

nasi. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — fotodiod

Litar input dan output dalam peranti sedemikian tidak disambungkan secara elektrik dalam apa jua cara, kerana isyarat dihantar melalui sinaran optik.

Potapov L.A.