Fotodiodes: ierīce, īpašības un darbības principi
Vienkāršākā fotodiode ir parastā pusvadītāju diode, kas nodrošina iespēju ietekmēt optisko starojumu p — n krustojumā.
Līdzsvara stāvoklī, kad starojuma plūsma pilnībā nav, fotodiodes nesēja koncentrācija, potenciāla sadalījuma un enerģijas joslu diagramma pilnībā atbilst parastajai pn struktūrai.
Pakļaujot starojumam virzienā, kas ir perpendikulārs p-n-pārejas plaknei, fotonu absorbcijas rezultātā, kuru enerģija ir lielāka par joslas platumu, n-apgabalā parādās elektronu-caurumu pāri. Šos elektronus un caurumus sauc par fotonesējiem.
Fotonesēja difūzijas laikā dziļi n-apgabalā galvenajai elektronu un caurumu daļai nav laika rekombinēties un tā sasniedz p-n savienojuma robežu. Šeit fotonesējus atdala p — n savienojuma elektriskais lauks, un caurumi nonāk p apgabalā, un elektroni nevar pārvarēt pārejas lauku un akumulēties pie p — n savienojuma un n apgabala robežas.
Tādējādi strāva caur p — n krustojumu ir saistīta ar mazākuma nesēju — caurumu dreifēšanu. Fotonesēju dreifējošo strāvu sauc par fotostrāvu.
Fotodiodes var darboties vienā no diviem režīmiem – bez ārēja elektroenerģijas avota (fotoģeneratora režīms) vai ar ārēju elektroenerģijas avotu (fotokonvertora režīms).
Fotodiodes, kas darbojas fotoģeneratora režīmā, bieži izmanto kā enerģijas avotus, kas pārvērš saules enerģiju elektroenerģijā. Tos sauc par saules baterijām un ir daļa no saules paneļiem, ko izmanto kosmosa kuģos.
Silīcija saules bateriju efektivitāte ir aptuveni 20%, savukārt plēves saules baterijām tas var būt daudz svarīgāks. Svarīgi saules bateriju tehniskie parametri ir to izejas jaudas attiecība pret masu un saules baterijas aizņemto laukumu. Šie parametri sasniedz attiecīgi 200 W / kg un 1 kW / m2.
Kad fotodiode darbojas fotokonversijas režīmā, strāvas padeve E tiek pievienota ķēdei bloķēšanas virzienā (1. att., a). Fotodiodes raksturlieluma I — V reversie zari tiek izmantoti dažādos apgaismojuma līmeņos (1. att., b).
Rīsi. 1. Fotodiodes ieslēgšanas shēma fotokonversijas režīmā: a — komutācijas ķēde, b — I — V fotodiodes raksturlielums
Strāvu un spriegumu slodzes rezistorā Rn var noteikt grafiski no fotodiodes strāvas-sprieguma raksturlīknes un rezistora Rn pretestībai atbilstošās slodzes līnijas krustošanās punktiem. Ja nav apgaismojuma, fotodiode darbojas parastās diodes režīmā. Tumšā strāva germānija fotodiodēm ir 10 — 30 μA, silīcija fotodiodēm 1 — 3 μA.
Ja fotodiodēs, piemēram, pusvadītāju Zener diodēs, tiek izmantots atgriezenisks elektriskais pārrāvums, ko papildina lādiņu nesēju lavīna, tad fotostrāva un līdz ar to arī jutība tiks ievērojami palielināta.
Lavīnu fotodiožu jutība var būt par vairākām kārtām augstāka nekā parastajām fotodiodēm (germānijam — 200 — 300 reizes, silīcijam — 104 — 106 reizes).
Lavīnu fotodiodes ir ātrgaitas fotoelektriskās ierīces ar frekvenču diapazonu līdz 10 GHz. Lavīnu fotodiožu trūkums ir augstāks trokšņu līmenis, salīdzinot ar parastajām fotodiodēm.
Rīsi. 2. Fotorezistora (a), UGO (b), enerģijas (c) un fotorezistora strāvas-sprieguma raksturlīkņu (d) shēmas shēma
Papildus fotodiodēm tiek izmantoti fotorezistori (2. attēls), fototranzistori un fototiristori, kas izmanto iekšējo fotoelektrisko efektu. To raksturīgais trūkums ir to lielā inerce (ierobežojoša darba frekvence fgr <10–16 kHz), kas ierobežo to izmantošanu.
Fototranzistora dizains ir līdzīgs parastajam tranzistoram, kura korpusā ir logs, caur kuru var apgaismot pamatni. UGO fototranzistors — tranzistors ar divām bultiņām, kas vērstas uz to.
Gaismas diodes un fotodiodes bieži izmanto pa pāriem.Šajā gadījumā tie tiek ievietoti vienā korpusā tā, lai fotodiodes gaismjutīgā zona atrodas pretī gaismas diodes izstarojošajai zonai. Tiek sauktas pusvadītāju ierīces, kurās izmanto LED fotodiodu pārus opto savienotāji (3. att.).
Rīsi. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — fotodiode
Ieejas un izejas ķēdes šādās ierīcēs nekādā veidā nav elektriski savienotas, jo signālu pārraida optiskais starojums.
Potapovs L.A.