Фотодіоди пристрій, характеристики і принципи роботи

простий фотодиод являє собою звичайний напівпровідниковий діод, в якому забезпечується можливість впливу оптичного випромінювання на р-n-перехід.

У збалансованому стані, коли потік випромінювання стовідсотково відсутня, концентрація носіїв, розподіл потенціалу та енергетична зонна діаграма фотодіода стовідсотково відповідають звичайній p-n-структурі.

При впливі випромінювання в напрямку, перпендикулярному площині p-n-переходу, в результаті поглинання фотонів з енергією, більшою, ніж ширина нелегальної зони, в n-області з`являються електронно-діркові пари. Ці електрони і дірки називають фотоносіїв.

При дифузії фотоносіїв в глиб n-області основна частка електронів і дірок не встигає рекомбінувати і доходить до межі p-n-переходу. Тут фотоносіїв діляться електронним полем p-n-переходу, при цьому дірки переходять в p-область, а електрони не можуть подолати поле переходу і накопичуються біля кордону p-n-переходу і n-області.

Таким чином, струм через p-n-перехід обгрунтований дрейфом неосновних носіїв - дірок. Дрейфовий струм фотоносіїв іменується.

Фотоносіїв - дірки заряджають p-область позитивно щодо n-області, а фотоносіїв - електрони - n-область негативно по відношенню до p-області. Виникає різниця потенціалів називається фотоЕДС Eф. Генерований струм в фотодіоді - оборотний, він орієнтований від катода до анода, при цьому його величина тим більше, чим більше освітленість.

ККД кремнієвих сонячних елементів складає близько 20%, а у плівкових сонячних елементів він може мати істотно більше значення. Необхідними технічними параметрами сонячних батарей є справи їх вихідної потужності до маси і площі, займаної сонячною батареєю. Ці характеристики домагаються значень 200 Вт / кг і 1 кВт / м2, відповідно.

При роботі фотодіода в фотопреобразовательном режимі джерело живлення Е включається в ланцюг в замикаючому напрямку (рис. 1, а). Вживаються оборотні гілки ВАХ фотодіода при різних освещенностях (рис. 1, б).

Мал. 1. Схема включення фотодіода в фотопреобразовательном режимі: а - схема включення, б - ВАХ фотодіода.

Струм і напруга на навантажувальними резисторами Rн можуть бути визначені графічно по точках перетину ВАХ фотодіода і смуги навантаження, відповідної опору резистора Rн. При відсутності освітленості фотодіод працює в режимі звичайного діода. Темновий струм у германієвих фотодіодів дорівнює 10 - 30 мкА, у кремнієвих 1 - 3 мкА.

Якщо в фотодиодах використовувати оборотний електронний пробій, що супроводжується лавинним множенням носіїв заряду, як в напівпровідникових стабілітронах, то фотострум, а як слід, і чутливість істотно виростуть.

чутливість лавинних фотодіодів може бути на кілька порядків більше, ніж у звичайних фотодіодів (у германієвих - в 200 - 300 разів, у кремнієвих - в 104 - 106 разів).

Лавинні фотодіоди є швидкодіючими фотоелектричними пристроями, їх частотний спектр може досягати 10 ГГц. Недоліком лавинних фотодіодів є більш високий рівень шумів в порівнянні зі звичайними фотодіодами.

Мал. 2. Схема включення фоторезистора (а), УДО (б), енергетична (в) і вольт-амперна (г) властивості фоторезистора.

Крім фотодіодів, використовуються фоторезистори (рис 2), фототранзистори і фототиристори, в яких використовується внутрішній фотоефект. Відповідним недоліком їх є висока інерційність (гранична робоча частота fгр < 10>

Конструкція фототранзистор подібна звичайному транзистору, у якого в корпусі є віконце, через яке може висвітлюватися база. УДО фототранзистор - транзистор з 2-ма стрілками, спрямованими до нього.

Світлодіоди і фотодіоди нерідко вживаються в парі. При цьому вони будуть розміщені в один корпус таким чином, щоб світлочутливий майданчик фотодіода розміщувалася навпроти випромінює майданчики світлодіода. Напівпровідникові прилади, що використовують пари «світлодіод - фотодіод», іменуються оптронами (рис. 3).

Мал. 3. Оптрон: 1 - світлодіод, 2 - фотодіод

Вхідні і вихідні ланцюги в таких пристроях виявляються електрично ніяк не пов`язаними, так як передача сигналу здійснюється через оптичне випромінювання.