Fotodiodes: apparaat, kenmerken en werkingsprincipes
De eenvoudigste fotodiode is een conventionele halfgeleiderdiode die de mogelijkheid biedt om optische straling op de p-n-overgang te beïnvloeden.
In de evenwichtstoestand, wanneer de stralingsflux volledig afwezig is, komen de dragerconcentratie, de potentiaalverdeling en het energiebandendiagram van de fotodiode volledig overeen met de gebruikelijke pn-structuur.
Bij blootstelling aan straling in een richting loodrecht op het vlak van de pn-overgang, als gevolg van de absorptie van fotonen met energie groter dan de bandbreedte, verschijnen elektron-gatparen in het n-gebied. Deze elektronen en gaten worden fotodragers genoemd.
Tijdens diffusie van fotodragers diep in het n-gebied heeft de hoofdfractie van elektronen en gaten geen tijd om te recombineren en bereikt de grens van de pn-overgang. Hier worden de fotodragers gescheiden door het elektrische veld van de p - n-overgang en gaan de gaten over in het p-gebied, en de elektronen kunnen het overgangsveld niet overwinnen en verzamelen zich op de grens van de p - n-overgang en het n-gebied.
De stroom door de p - n-overgang is dus het gevolg van de drift van minderheidsdragers - gaten. De driftstroom van fotodragers wordt fotostroom genoemd.
Fotodiodes kunnen in twee modi werken: zonder een externe elektrische energiebron (fotogeneratormodus) of met een externe elektrische energiebron (fotoconvertermodus).
Fotodiodes die in fotogeneratormodus werken, worden vaak gebruikt als stroombronnen die zonne-energie omzetten in elektrische energie. Ze worden zonnecellen genoemd en maken deel uit van zonnepanelen die in ruimtevaartuigen worden gebruikt.
Het rendement van siliciumzonnecellen ligt rond de 20%, terwijl dat bij filmzonnecellen veel belangrijker kan zijn. Belangrijke technische parameters van zonnecellen zijn de verhouding van hun uitgangsvermogen tot de massa en het oppervlak dat door de zonnecel wordt ingenomen. Deze parameters bereiken waarden van respectievelijk 200 W / kg en 1 kW / m2.
Wanneer de fotodiode in de fotoconversiemodus werkt, is de voeding E in de blokkeerrichting op het circuit aangesloten (Fig. 1, a). De omgekeerde takken van de I - V-karakteristiek van de fotodiode worden gebruikt op verschillende verlichtingsniveaus (Fig. 1, b).
Rijst. 1. Schema voor het inschakelen van de fotodiode in fotoconversiemodus: a - schakelcircuit, b - I - V kenmerk van de fotodiode
De stroom en spanning in de belastingsweerstand Rn kunnen grafisch worden bepaald uit de snijpunten van de stroom-spanningskarakteristiek van de fotodiode en de belastingslijn die overeenkomt met de weerstand van de weerstand Rn. Bij afwezigheid van verlichting werkt de fotodiode in de modus van een conventionele diode. De donkerstroom voor germanium fotodiodes is 10 - 30 μA, voor silicium fotodiodes 1 - 3 μA.
Als een omkeerbare elektrische storing vergezeld van lawinevermenigvuldiging van ladingsdragers wordt gebruikt in fotodiodes, zoals in halfgeleider-zenerdiodes, dan zal de fotostroom, en dus de gevoeligheid, aanzienlijk worden verhoogd.
De gevoeligheid van lawinefotodiodes kan enkele ordes van grootte hoger zijn dan die van conventionele fotodiodes (voor germanium - 200 - 300 keer, voor silicium - 104 - 106 keer).
Lawinefotodiodes zijn supersnelle fotovoltaïsche apparaten met een frequentiebereik tot 10 GHz. Het nadeel van lawinefotodiodes is het hogere geluidsniveau in vergelijking met conventionele fotodiodes.
Rijst. 2. Schakelschema van de fotoresistor (a), UGO (b), energie (c) en stroom-spanningskarakteristieken (d) van de fotoresistor
Naast fotodiodes worden fotoresistors (Figuur 2), fototransistoren en fotothyristors gebruikt, die gebruikmaken van het interne foto-elektrische effect. Hun kenmerkende nadeel is hun hoge traagheid (beperkende werkfrequentie fgr <10 - 16 kHz), wat hun gebruik beperkt.
Het ontwerp van de fototransistor is vergelijkbaar met een conventionele transistor met een venster in de behuizing waardoor de basis kan worden verlicht. UGO-fototransistor - een transistor met twee pijlen die erop wijzen.
LED's en fotodiodes worden vaak in paren gebruikt.In dit geval worden ze in één behuizing geplaatst, zodat het lichtgevoelige gebied van de fotodiode zich tegenover het emitterende gebied van de LED bevindt. Halfgeleiderapparaten die paren LED-fotodiodes gebruiken, worden genoemd optocouplers (Afb. 3).
Rijst. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — fotodiode
De ingangs- en uitgangscircuits in dergelijke apparaten zijn op geen enkele manier elektrisch verbonden, aangezien het signaal wordt uitgezonden door optische straling.
Potapov LA