Φωτοδίοδοι: συσκευή, χαρακτηριστικά και αρχές λειτουργίας

Η απλούστερη φωτοδίοδος είναι μια συμβατική δίοδος ημιαγωγών που παρέχει τη δυνατότητα να επηρεάζει την οπτική ακτινοβολία στη διασταύρωση p — n.

Στην κατάσταση ισορροπίας, όταν η ροή ακτινοβολίας απουσιάζει εντελώς, η συγκέντρωση φέροντος, η κατανομή του δυναμικού και το διάγραμμα ζώνης ενέργειας της φωτοδιόδου αντιστοιχούν πλήρως στη συνήθη δομή pn.

Όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία σε κατεύθυνση κάθετη στο επίπεδο της διασταύρωσης p-n, ως αποτέλεσμα της απορρόφησης φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το πλάτος της ζώνης, εμφανίζονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στην περιοχή n. Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές ονομάζονται φωτοφορείς.

Κατά τη διάχυση του φωτοφορέα βαθιά στην περιοχή n, το κύριο κλάσμα ηλεκτρονίων και οπών δεν έχει χρόνο να ανασυνδυαστεί και φτάνει στο όριο της διασταύρωσης p-n. Εδώ, οι φωτοφορείς χωρίζονται από το ηλεκτρικό πεδίο της διασταύρωσης p — n και οι οπές περνούν στην περιοχή p, και τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ξεπεράσουν το μεταβατικό πεδίο και συσσωρεύονται στο όριο της διασταύρωσης p — n και της περιοχής n.

Έτσι, το ρεύμα μέσω της διασταύρωσης p — n οφείλεται στη μετατόπιση των μειοψηφικών φορέων — οπών. Το ρεύμα μετατόπισης των φωτοφορέων ονομάζεται φωτορεύμα.

Φωτοφορείς-οπές φορτίζουν την περιοχή p θετικά σε σχέση με την περιοχή n, και φωτοφορείς-ηλεκτρόνια-την περιοχή n αρνητικά σε σχέση με την περιοχή p. Η διαφορά δυναμικού που προκύπτει ονομάζεται φωτοηλεκτρικό δυναμικό Ευ. Το παραγόμενο ρεύμα στη φωτοδίοδο αντιστρέφεται, κατευθύνεται από την κάθοδο στην άνοδο και η τιμή του είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερος είναι ο φωτισμός.

Οι φωτοδίοδοι μπορούν να λειτουργήσουν σε έναν από τους δύο τρόπους λειτουργίας — χωρίς εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (λειτουργία φωτογεννήτριας) ή με εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (λειτουργία φωτομετατροπέα).

Οι φωτοδίοδοι που λειτουργούν σε λειτουργία φωτογεννήτριας χρησιμοποιούνται συχνά ως πηγές ενέργειας που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ονομάζονται ηλιακά κύτταρα και αποτελούν μέρος των ηλιακών συλλεκτών που χρησιμοποιούνται στα διαστημόπλοια.

Η απόδοση των ηλιακών κυψελών πυριτίου είναι περίπου 20%, ενώ για τα ηλιακά κύτταρα φιλμ μπορεί να είναι πολύ πιο σημαντική. Σημαντικές τεχνικές παράμετροι των ηλιακών κυψελών είναι ο λόγος της ισχύος εξόδου τους προς τη μάζα και την επιφάνεια που καταλαμβάνει το ηλιακό στοιχείο. Αυτές οι παράμετροι φτάνουν σε τιμές 200 W / kg και 1 kW / m2, αντίστοιχα.

Όταν η φωτοδίοδος λειτουργεί σε λειτουργία φωτομετατροπής, το τροφοδοτικό E συνδέεται στο κύκλωμα στην κατεύθυνση μπλοκαρίσματος (Εικ. 1, α). Οι αντίστροφοι κλάδοι του χαρακτηριστικού I — V της φωτοδιόδου χρησιμοποιούνται σε διαφορετικά επίπεδα φωτισμού (Εικ. 1, β).

Ρύζι. 1. Σχέδιο ενεργοποίησης της φωτοδιόδου σε λειτουργία φωτομετατροπής: a — κύκλωμα μεταγωγής, b — I — V χαρακτηριστικό της φωτοδιόδου

Το ρεύμα και η τάση στην αντίσταση φορτίου Rn μπορούν να προσδιοριστούν γραφικά από τα σημεία τομής του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της φωτοδιόδου και της γραμμής φορτίου που αντιστοιχεί στην αντίσταση της αντίστασης Rn. Ελλείψει φωτισμού, η φωτοδίοδος λειτουργεί με τη λειτουργία μιας συμβατικής διόδου. Το σκοτεινό ρεύμα για τις φωτοδίοδοι γερμανίου είναι 10 — 30 μA, για τις φωτοδίοδοι πυριτίου 1 — 3 μA.

Εάν μια αναστρέψιμη ηλεκτρική βλάβη που συνοδεύεται από πολλαπλασιασμό χιονοστιβάδας των φορέων φορτίου χρησιμοποιείται στις φωτοδίοδοι, όπως στις διόδους zener ημιαγωγών, τότε το φωτορεύμα, και επομένως η ευαισθησία, θα αυξηθούν σημαντικά.

Η ευαισθησία των φωτοδιόδων χιονοστιβάδας μπορεί να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από αυτή των συμβατικών φωτοδιόδων (για το γερμάνιο — 200 — 300 φορές, για το πυρίτιο — 104 — 106 φορές).

Οι φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας είναι φωτοβολταϊκές συσκευές υψηλής ταχύτητας με εύρος συχνοτήτων έως και 10 GHz. Το μειονέκτημα των φωτοδιόδων χιονοστιβάδας είναι το υψηλότερο επίπεδο θορύβου σε σύγκριση με τις συμβατικές φωτοδιόδους.

Ρύζι. 2. Διάγραμμα κυκλώματος της φωτοαντίστασης (a), UGO (b), ενέργειας (c) και χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης (d) της φωτοαντίστασης

Εκτός από τις φωτοδίοδοι, χρησιμοποιούνται φωτοαντιστάσεις (Εικόνα 2), φωτοτρανζίστορ και φωτοθυρίστορ, που χρησιμοποιούν το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Χαρακτηριστικό τους μειονέκτημα είναι η υψηλή τους αδράνεια (περιοριστική συχνότητα λειτουργίας fgr <10 — 16 kHz), η οποία περιορίζει τη χρήση τους.

Ο σχεδιασμός του φωτοτρανζίστορ είναι παρόμοιος με ένα συμβατικό τρανζίστορ που έχει ένα παράθυρο στη θήκη μέσω του οποίου μπορεί να φωτιστεί η βάση. Φωτοτρανζίστορ UGO — ένα τρανζίστορ με δύο βέλη να δείχνουν προς το μέρος του.

Τα LED και οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται συχνά σε ζεύγη.Σε αυτή την περίπτωση, τοποθετούνται σε ένα περίβλημα έτσι ώστε η φωτοευαίσθητη περιοχή της φωτοδιόδου να βρίσκεται απέναντι από την περιοχή εκπομπής του LED. Οι συσκευές ημιαγωγών που χρησιμοποιούν ζεύγη φωτοδιόδων LED ονομάζονται οπτικούς συζεύκτες (Εικ. 3).

Ρύζι. 3. Οπτοζεύκτης: 1 — LED, 2 — φωτοδίοδος

Τα κυκλώματα εισόδου και εξόδου σε τέτοιες συσκευές δεν συνδέονται ηλεκτρικά με κανέναν τρόπο, καθώς το σήμα μεταδίδεται με οπτική ακτινοβολία.

Potapov L.A.