Fotodioodid: seade, omadused ja tööpõhimõtted
Lihtsaim fotodiood on tavaline pooljuhtdiood, mis annab võimaluse mõjutada optilist kiirgust p — n ristmikul.
Tasakaaluseisundis, kui kiirgusvoog puudub täielikult, vastavad fotodioodi kandekontsentratsioon, potentsiaalijaotus ja energiariba diagramm täielikult tavapärasele pn-struktuurile.
P-n-siirde tasandiga risti asetseva kiirgusega kokkupuutel ribalaiusest suurema energiaga footonite neeldumise tulemusena tekivad n-piirkonnas elektron-augu paarid. Neid elektrone ja auke nimetatakse fotokandjateks.
Fotokandja difusioonil sügavale n-piirkonda ei jõua elektronide ja aukude põhifraktsioonil aega rekombineeruda ja jõuab p-n-siirde piirini. Siin eraldatakse fotokandjad p — n-siirde elektriväljaga ja augud lähevad p-piirkonda ning elektronid ei suuda üleminekuvälja ületada ning akumuleeruvad p —n-siirde ja n-piirkonna piiril.
Seega on p — n ristmikku läbiv vool tingitud vähemuskandjate — aukude triivist. Fotokandjate triivivoolu nimetatakse fotovooluks.
Fotodioodid võivad töötada ühes kahest režiimist - ilma välise elektrienergia allikata (fotogeneraatori režiim) või välise elektrienergia allikaga (fotokonverteri režiim).
Toiteallikatena, mis muudavad päikeseenergia elektrienergiaks, kasutatakse sageli fotodioode, mis töötavad fotogeneraatori režiimis. Neid nimetatakse päikeseelementideks ja need on osa kosmoseaparaatides kasutatavatest päikesepaneelidest.
Ränist päikesepatareide kasutegur on umbes 20%, samas kui kilepatareide puhul võib see olla palju olulisem. Päikesepatareide olulised tehnilised parameetrid on nende väljundvõimsuse suhe massi ja päikesepatarei poolt hõivatud pindala. Need parameetrid ulatuvad vastavalt väärtuseni 200 W / kg ja 1 kW / m2.
Kui fotodiood töötab fotokonversioonirežiimis, on toiteallikas E ühendatud ahelaga blokeerimissuunas (joonis 1, a). Fotodioodi karakteristiku I — V pöördharusid kasutatakse erinevatel valgustustasemetel (joon. 1, b).
Riis. 1. Fotodioodi sisselülitamise skeem fotokonversioonirežiimis: a — lülitusahel, b — I — V fotodioodi karakteristik
Koormustakistis Rn olevat voolu ja pinget saab graafiliselt määrata fotodioodi voolu-pinge karakteristiku ja takisti Rn takistusele vastava koormusjoone lõikepunktidest. Valgustuse puudumisel töötab fotodiood tavalise dioodi režiimis. Germaaniumfotodioodide tumevool on 10 — 30 μA, ränifotodioodidel 1 — 3 μA.
Kui fotodioodides, nagu pooljuht-zeneri dioodides, kasutatakse pöörduvat elektrikatkestust koos laengukandjate laviini korrutamisega, suureneb fotovool ja seega ka tundlikkus oluliselt.
Laviinifotodioodide tundlikkus võib olla mitu suurusjärku kõrgem kui tavalistel fotodioodidel (germaaniumi puhul 200-300 korda, räni puhul 104-106 korda).
Avalanche fotodioodid on kiired fotogalvaanilised seadmed, mille sagedusvahemik on kuni 10 GHz. Laviinfotodioodide puuduseks on tavaliste fotodioodidega võrreldes kõrgem müratase.
Riis. 2. Fototakisti (a), UGO (b), energia (c) ja fototakisti voolu-pinge karakteristikute (d) vooluahela skeem
Lisaks fotodioodidele kasutatakse fototakisteid (joonis 2), fototransistore ja fototüristore, mis kasutavad sisemist fotoelektrilist efekti. Nende iseloomulik puudus on nende suur inerts (piirav töösagedus fgr <10–16 kHz), mis piirab nende kasutamist.
Fototransistori konstruktsioon sarnaneb tavalise transistoriga, mille korpuses on aken, mille kaudu saab alust valgustada. UGO fototransistor — transistor, millele on suunatud kaks noolt.
LED-e ja fotodioode kasutatakse sageli paarikaupa.Sel juhul asetatakse need ühte korpusesse nii, et fotodioodi valgustundlik ala asub LED-i kiirgava ala vastas. Pooljuhtseadmeid, mis kasutavad LED-fotodioodide paare, nimetatakse optronid (joonis 3).
Riis. 3. Optronide: 1 — LED, 2 — fotodiood
Selliste seadmete sisend- ja väljundahelad ei ole mingil viisil elektriliselt ühendatud, kuna signaal edastatakse optilise kiirgusega.
Potapov L.A.