Fotodiodai: prietaisas, charakteristikos ir veikimo principai
Paprasčiausias fotodiodas yra įprastas puslaidininkinis diodas, suteikiantis galimybę paveikti optinę spinduliuotę p – n sandūroje.
Pusiausvyros būsenoje, kai spinduliuotės srauto visiškai nėra, fotodiodo nešiklio koncentracija, potencialo pasiskirstymas ir energijos juostų diagrama visiškai atitinka įprastą pn struktūrą.
Veikiant spinduliuotei p-n sandūros plokštumai statmena kryptimi, absorbuojant fotonus, kurių energija didesnė už juostos plotį, n srityje atsiranda elektronų skylių poros. Šie elektronai ir skylės vadinami fotonešikliais.
Fotonešiklio difuzijos metu giliai į n sritį, pagrindinė elektronų ir skylių dalis nespėja rekombinuotis ir pasiekia p-n sandūros ribą. Čia fotonešlius atskiria p — n sandūros elektrinis laukas ir skylės pereina į p sritį, o elektronai negali įveikti pereinamojo lauko ir susikaupti ties p — n sandūros ir n srities riba.
Taigi, srovė per p — n sandūrą atsiranda dėl mažumos nešėjų - skylių dreifo. Fotonešiklių dreifo srovė vadinama fotosrove.
Fotodiodai gali veikti vienu iš dviejų režimų – be išorinio elektros energijos šaltinio (fotogeneratoriaus režimas) arba su išoriniu elektros energijos šaltiniu (fotokonverterio režimu).
Fotodiodai, veikiantys fotogeneratoriaus režimu, dažnai naudojami kaip energijos šaltiniai, paverčiantys saulės energiją į elektros energiją. Jie vadinami saulės elementais ir yra erdvėlaiviuose naudojamų saulės baterijų dalis.
Silicio saulės elementų efektyvumas yra apie 20%, o plėveliniams saulės elementams jis gali būti daug svarbesnis. Svarbūs techniniai saulės elementų parametrai yra jų išėjimo galios ir masės santykis bei saulės elemento užimamo ploto santykis. Šie parametrai pasiekia atitinkamai 200 W / kg ir 1 kW / m2 reikšmes.
Kai fotodiodas veikia fotokonversijos režimu, maitinimo blokas E yra prijungtas prie grandinės blokavimo kryptimi (1 pav., a). Fotodiodo charakteristikos I — V atvirkštinės šakos naudojamos esant įvairiems apšvietimo lygiams (1 pav., b).
Ryžiai. 1. Fotodiodo įjungimo fotokonversijos režimu schema: a — perjungimo grandinė, b — I — V fotodiodo charakteristika
Srovę ir įtampą apkrovos rezistoriuje Rn galima nustatyti grafiškai iš fotodiodo srovės-įtampos charakteristikos ir apkrovos linijos, atitinkančios rezistoriaus Rn varžą, susikirtimo taškų. Jei nėra apšvietimo, fotodiodas veikia įprasto diodo režimu. Tamsioji germanio fotodiodų srovė yra 10 — 30 μA, silicio fotodiodų 1 — 3 μA.
Jei fotodioduose, kaip ir puslaidininkiniuose zenerio dioduose, naudojamas grįžtamasis elektros gedimas, lydimas krūvininkų lavinų dauginimo, tada fotosrovė, taigi ir jautrumas, labai padidės.
Lavinos fotodiodų jautrumas gali būti keliomis eilėmis didesnis nei įprastų fotodiodų (germaniui – 200–300 kartų, siliciui – 104–106 kartus).
Lavinos fotodiodai – tai didelės spartos fotovoltiniai įrenginiai, kurių dažnių diapazonas siekia iki 10 GHz. Lavininių fotodiodų trūkumas yra didesnis triukšmo lygis, lyginant su įprastais fotodiodais.
Ryžiai. 2. Fotorezistoriaus (a), UGO (b), energijos (c) ir fotorezistoriaus srovės-įtampos charakteristikų (d) grandinės schema
Be fotodiodų, naudojami fotorezistoriai (2 pav.), fototranzistoriai ir fototiristoriai, kurie naudoja vidinį fotoelektrinį efektą. Jų būdingas trūkumas yra didelė inercija (ribojamas veikimo dažnis fgr <10–16 kHz), o tai riboja jų naudojimą.
Fototranzistoriaus konstrukcija yra panaši į įprastą tranzistorių, kurio korpuse yra langas, per kurį galima apšviesti pagrindą. UGO fototranzistorius - tranzistorius su dviem rodyklėmis, nukreiptomis į jį.
Šviesos diodai ir fotodiodai dažnai naudojami poromis.Šiuo atveju jie dedami į vieną korpusą taip, kad fotodiodo šviesai jautri sritis būtų priešais šviesos diodo spinduliavimo sritį. Puslaidininkiniai įtaisai, naudojantys LED fotodiodų poras, vadinami optronai (3 pav.).
Ryžiai. 3. Optronas: 1 — LED, 2 — fotodiodas
Tokių įrenginių įvesties ir išvesties grandinės jokiu būdu nėra sujungtos elektra, nes signalas perduodamas optine spinduliuote.
Potapovas L.A.