Photodiodes: aparato, mga katangian at mga prinsipyo ng pagpapatakbo

Ang pinakasimpleng photodiode ay isang conventional semiconductor diode na nagbibigay ng kakayahang maimpluwensyahan ang optical radiation sa p — n junction.

Sa estado ng balanse, kapag ang radiation flux ay ganap na wala, ang konsentrasyon ng carrier, potensyal na pamamahagi at energy band diagram ng photodiode ay ganap na tumutugma sa karaniwang istraktura ng pn.

Kapag nalantad sa radiation sa isang direksyon na patayo sa eroplano ng p-n-junction, bilang resulta ng pagsipsip ng mga photon na may enerhiya na mas malaki kaysa sa lapad ng banda, lumilitaw ang mga pares ng electron-hole sa n-rehiyon. Ang mga electron at butas na ito ay tinatawag na mga photocarrier.

Sa panahon ng pagsasabog ng photocarrier nang malalim sa n-rehiyon, ang pangunahing bahagi ng mga electron at butas ay walang oras upang muling pagsamahin at maabot ang hangganan ng p-n junction. Dito, ang mga photocarrier ay pinaghihiwalay ng electric field ng p - n junction at ang mga butas ay pumasa sa p rehiyon, at ang mga electron ay hindi maaaring pagtagumpayan ang transition field at maipon sa hangganan ng p - n junction at n rehiyon.

Kaya, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng p — n junction ay dahil sa drift ng minority carriers — mga butas. Ang drift current ng mga photocarrier ay tinatawag na photocurrent.

Positibong sinisingil ng mga photocarrier-hole ang p-rehiyon na may paggalang sa n-rehiyon, at ang mga photocarrier-electron-ang n-rehiyon ay negatibong may kinalaman sa p-rehiyon. Ang nagresultang potensyal na pagkakaiba ay tinatawag na potensyal na photoelectric Ef. Ang nabuong kasalukuyang sa photodiode ay baligtad, ito ay nakadirekta mula sa katod patungo sa anode, at ang halaga nito ay mas malaki, mas malaki ang pag-iilaw.

Ang mga photodiode ay maaaring gumana sa isa sa dalawang mode — nang walang panlabas na pinagmumulan ng elektrikal na enerhiya (photogenerator mode) o may panlabas na pinagkukunan ng elektrikal na enerhiya (photoconverter mode).

Ang mga photodiode na tumatakbo sa photogenerator mode ay kadalasang ginagamit bilang mga pinagmumulan ng kuryente na nagko-convert ng solar energy sa electrical energy. Ang mga ito ay tinatawag na mga solar cell at bahagi ng mga solar panel na ginagamit sa spacecraft.

Ang kahusayan ng mga solar cell ng silikon ay nasa paligid ng 20%, habang para sa mga solar cell ng pelikula maaari itong maging mas mahalaga. Ang mahahalagang teknikal na parameter ng solar cell ay ang ratio ng kanilang output power sa masa at ang lugar na inookupahan ng solar cell. Ang mga parameter na ito ay umaabot sa mga halaga ng 200 W / kg at 1 kW / m2, ayon sa pagkakabanggit.

Kapag ang photodiode ay gumagana sa photoconversion mode, ang power supply E ay konektado sa circuit sa direksyon ng pagharang (Fig. 1, a). Ang mga reverse branch ng I - V na katangian ng photodiode ay ginagamit sa iba't ibang antas ng pag-iilaw (Larawan 1, b).

kanin. 1. Scheme ng paglipat sa photodiode sa photoconversion mode: a — switching circuit, b — I — V na katangian ng photodiode

Ang kasalukuyang at boltahe sa load resistor Rn ay maaaring matukoy nang graphically mula sa mga intersection point ng kasalukuyang-boltahe na katangian ng photodiode at ang load line na naaayon sa paglaban ng risistor Rn. Sa kawalan ng pag-iilaw, gumagana ang photodiode sa mode ng isang maginoo na diode. Ang madilim na kasalukuyang para sa germanium photodiodes ay 10 — 30 μA, para sa silicon photodiodes 1 — 3 μA.

Kung ang isang reversible electrical breakdown na sinamahan ng avalanche multiplication ng charge carriers ay ginagamit sa mga photodiode, tulad ng sa semiconductor zener diodes, kung gayon ang photocurrent, at samakatuwid ang sensitivity, ay tataas nang husto.

Ang sensitivity ng avalanche photodiodes ay maaaring ilang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa conventional photodiodes (para sa germanium - 200 - 300 beses, para sa silicon - 104 - 106 beses).

Ang Avalanche photodiodes ay mga high-speed photovoltaic device na may frequency range na hanggang 10 GHz. Ang kawalan ng avalanche photodiodes ay ang mas mataas na antas ng ingay kumpara sa maginoo na photodiodes.

kanin. 2. Circuit diagram ng photoresistor (a), UGO (b), enerhiya (c) at kasalukuyang-boltahe na katangian (d) ng photoresistor

Bilang karagdagan sa mga photodiodes, photoresistors (Figure 2), phototransistors at photothyristors ay ginagamit, na gumagamit ng panloob na photoelectric effect. Ang kanilang katangian na kawalan ay ang kanilang mataas na pagkawalang-kilos (paglilimita sa dalas ng pagpapatakbo fgr <10 — 16 kHz), na naglilimita sa kanilang paggamit.

Ang disenyo ng phototransistor ay katulad ng isang maginoo transistor na may isang window sa kaso kung saan ang base ay maaaring iluminado. UGO phototransistor — isang transistor na may dalawang arrow na nakaturo dito.

Ang mga LED at photodiode ay kadalasang ginagamit sa mga pares.Sa kasong ito, inilalagay sila sa isang pabahay upang ang photosensitive area ng photodiode ay matatagpuan sa tapat ng emitting area ng LED. Ang mga semiconductor device na gumagamit ng mga pares ng LED-photodiodes ay tinatawag mga optocoupler (Larawan 3).

kanin. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — photodiode

Ang mga input at output circuit sa naturang mga aparato ay hindi konektado sa kuryente sa anumang paraan, dahil ang signal ay ipinadala sa pamamagitan ng optical radiation.

Potapov L.A.