Фотодіоди пристрій, характеристики і принципи роботи, онлайн журнал електрика
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 фотострумом.
Фотодіоди можуть працювати в одному з 2-ух режимів - без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фотогенератора) або з зовнішнім джерелом електричної енергії (режим фотоперетворювача).
Фотодіоди, що працюють в режимі фотогенератора, нерідко використовують в якості джерел живлення, що модифікують енергію сонячного випромінювання в електронну. Вони іменуються сонячними елементами і входять до складу сонячних батарей, які застосовуються на космічних кораблях і супутниках.
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