Fotodiody: zařízení, vlastnosti a principy činnosti
Nejjednodušší fotodiodou je konvenční polovodičová dioda, která poskytuje schopnost ovlivňovat optické záření na p — n přechodu.
V rovnovážném stavu, kdy tok záření zcela chybí, koncentrace nosiče, rozložení potenciálu a energetický pásový diagram fotodiody plně odpovídají obvyklé struktuře pn.
Při vystavení záření ve směru kolmém k rovině p-n-přechodu se v důsledku absorpce fotonů s energií větší než šířka pásma objeví v n-oblasti páry elektron-díra. Tyto elektrony a díry se nazývají fotonosiče.
Během difúze fotonosiče hluboko do n-oblasti se hlavní frakce elektronů a děr nestihne rekombinovat a dosáhne hranice p-n přechodu. Zde jsou fotonosiče odděleny elektrickým polem p — n přechodu a otvory procházejí do oblasti p a elektrony nemohou překonat přechodové pole a hromadí se na rozhraní p — n přechodu a n oblasti.
Proud přes přechod p – n je tedy způsoben unášením menšinových nosičů – děr. Driftový proud fotonosičů se nazývá fotoproud.
Fotodiody mohou pracovat v jednom ze dvou režimů — bez externího zdroje elektrické energie (režim fotogenerátoru) nebo s externím zdrojem elektrické energie (režim fotokonvertoru).
Fotodiody pracující v režimu fotogenerátoru se často používají jako zdroje energie, které přeměňují sluneční energii na elektrickou energii. Říká se jim solární články a jsou součástí solárních panelů používaných v kosmických lodích.
Účinnost křemíkových solárních článků se pohybuje kolem 20 %, zatímco u filmových solárních článků může být mnohem důležitější. Důležité technické parametry solárních článků jsou poměr jejich výstupního výkonu k hmotnosti a ploše, kterou solární článek zabírá. Tyto parametry dosahují hodnot 200 W/kg, respektive 1 kW/m2.
Když fotodioda pracuje v režimu fotokonverze, je napájecí zdroj E připojen k obvodu v blokovacím směru (obr. 1, a). Reverzní větve I — V charakteristiky fotodiody se používají při různých úrovních osvětlení (obr. 1, b).
Rýže. 1. Schéma zapínání fotodiody v režimu fotokonverze: a — spínací obvod, b — I — V charakteristika fotodiody
Proud a napětí v zatěžovacím rezistoru Rn lze určit graficky z průsečíků proudově-napěťové charakteristiky fotodiody a zatěžovací čáry odpovídající odporu rezistoru Rn. Při absenci osvětlení pracuje fotodioda v režimu klasické diody. Temný proud pro germaniové fotodiody je 10 — 30 μA, pro křemíkové fotodiody 1 — 3 μA.
Pokud se ve fotodiodách použije vratný elektrický průraz doprovázený lavinovým znásobením nosičů náboje, jako u polovodičových zenerových diod, pak se fotoproud a tím i citlivost výrazně zvýší.
Citlivost lavinových fotodiod může být o několik řádů vyšší než u konvenčních fotodiod (pro germanium — 200 — 300krát, pro křemík — 104 — 106krát).
Lavinové fotodiody jsou vysokorychlostní fotovoltaická zařízení s frekvenčním rozsahem až 10 GHz. Nevýhodou lavinových fotodiod je vyšší hlučnost oproti klasickým fotodiodám.
Rýže. 2. Schéma zapojení fotorezistoru (a), UGO (b), energetická (c) a proudově-napěťová charakteristika (d) fotorezistoru
Kromě fotodiod se používají fotorezistory (obrázek 2), fototranzistory a fototyristory, které využívají vnitřního fotoelektrického jevu. Jejich charakteristickou nevýhodou je velká setrvačnost (mezní pracovní frekvence fgr <10 — 16 kHz), která omezuje jejich použití.
Konstrukce fototranzistoru je podobná běžnému tranzistoru, který má v pouzdře okénko, kterým lze osvětlovat bázi. Fototranzistor UGO — tranzistor se dvěma šipkami směřujícími na něj.
LED a fotodiody se často používají v párech.V tomto případě jsou umístěny v jednom pouzdře tak, že fotocitlivá oblast fotodiody je umístěna naproti oblasti vyzařování LED. Polovodičová zařízení využívající dvojice LED-fotodiod se nazývají optočleny (obr. 3).
Rýže. 3. Optočlen: 1 — LED, 2 — fotodioda
Vstupní a výstupní obvody v takových zařízeních nejsou žádným způsobem elektricky propojeny, protože signál je přenášen optickým zářením.
Potapov L.A.