Fotodiyotlar: cihaz, özellikleri ve çalışma ilkeleri

En basit fotodiyot, p - n bağlantısındaki optik radyasyonu etkileme yeteneği sağlayan geleneksel bir yarı iletken diyottur.

Denge durumunda, radyasyon akısı tamamen yokken, fotodiyotun taşıyıcı konsantrasyonu, potansiyel dağılımı ve enerji bant diyagramı tamamen olağan pn yapısına karşılık gelir.

p-n-bağlantı düzlemine dik yönde radyasyona maruz kaldığında, bant genişliğinden daha büyük enerjiye sahip fotonların soğurulması sonucunda n-bölgesinde elektron-boşluk çiftleri belirir. Bu elektronlara ve deliklere foto taşıyıcılar denir.

n-bölgesinin derinliklerine foto taşıyıcı difüzyonu sırasında, elektronların ve deliklerin ana fraksiyonunun yeniden birleşmek için zamanı yoktur ve p-n birleşme sınırına ulaşır. Burada foto taşıyıcılar p — n bağlantısının elektrik alanı ile ayrılır ve delikler p bölgesine geçer ve elektronlar geçiş alanını aşamayarak p — n birleşiminin sınırında ve n bölgesinde birikirler.

Bu nedenle, p-n kavşağından geçen akım, azınlık taşıyıcıların - boşlukların sürüklenmesinden kaynaklanmaktadır. Foto taşıyıcıların sürüklenme akımına foto akım denir.

Foto taşıyıcılar-delikler, p-bölgesini n-bölgesine göre pozitif olarak yükler ve foto-taşıyıcılar-elektronlar-n-bölgesini, p-bölgesine göre negatif olarak yükler. Ortaya çıkan potansiyel fark, fotoelektrik potansiyel Ef olarak adlandırılır. Fotodiyotta üretilen akım ters çevrilir, katottan anoda yönlendirilir ve değeri ne kadar büyükse aydınlatma o kadar büyük olur.

Fotodiyotlar, harici bir elektrik enerjisi kaynağı olmadan (fotojeneratör modu) veya harici bir elektrik enerjisi kaynağı ile (foto dönüştürücü modu) olmak üzere iki moddan birinde çalışabilir.

Fotojeneratör modunda çalışan fotodiyotlar, genellikle güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren güç kaynakları olarak kullanılır. Güneş pilleri olarak adlandırılırlar ve uzay gemilerinde kullanılan güneş panellerinin bir parçasıdırlar.

Silikon güneş pillerinin verimliliği yaklaşık %20 iken, film güneş pillerinin verimliliği çok daha önemli olabilir. Güneş pillerinin önemli teknik parametreleri, çıkış güçlerinin güneş pilinin kapladığı kütleye ve alana oranıdır. Bu parametreler sırasıyla 200 W/kg ve 1 kW/m2 değerlerine ulaşmaktadır.

Fotodiyot fotodönüşüm modunda çalıştığında, E güç kaynağı devreye engelleme yönünde bağlanır (Şekil 1, a). Fotodiyotun I - V karakteristiğinin ters dalları, farklı aydınlatma seviyelerinde kullanılır (Şekil 1, b).

Pirinç. 1. Fotodiyodu fotodönüştürme modunda açma şeması: a - anahtarlama devresi, b - I - V fotodiyotun karakteristiği

Rn yük direncindeki akım ve gerilim, fotodiyotun akım-gerilim karakteristiğinin kesişme noktalarından ve direnç Rn'nin direncine karşılık gelen yük hattından grafiksel olarak belirlenebilir. Aydınlatma olmadığında, fotodiyot geleneksel bir diyot modunda çalışır. Germanyum fotodiyotları için karanlık akım 10 — 30 μA, silikon fotodiyotları için 1 — 3 μA'dır.

Fotodiyotlarda, yarı iletken zener diyotlarda olduğu gibi, yük taşıyıcıların çığ gibi çoğalmasıyla birlikte tersinir bir elektrik arızası kullanılırsa, fotoakım ve dolayısıyla hassasiyet büyük ölçüde artacaktır.

Çığ fotodiyotlarının hassasiyeti, geleneksel fotodiyotlardan birkaç kat daha yüksek olabilir (germanyum için - 200 - 300 kat, silikon için - 104 - 106 kat).

Çığ fotodiyotları, 10 GHz'e kadar frekans aralığına sahip yüksek hızlı fotovoltaik cihazlardır. Çığ fotodiyotlarının dezavantajı, geleneksel fotodiyotlara kıyasla daha yüksek gürültü seviyesidir.

Pirinç. 2. Foto direncin devre şeması (a), UGO (b), foto direncin enerjisi (c) ve akım-voltaj özellikleri (d)

Fotodiyotlara ek olarak, dahili fotoelektrik etkiyi kullanan fotodirençler (Şekil 2), fototransistörler ve fototiristörler kullanılır. Karakteristik dezavantajları, kullanımlarını sınırlayan yüksek ataletleridir (sınır çalışma frekansı fgr <10 - 16 kHz).

Fototransistörün tasarımı, kasasında tabanın aydınlatılabileceği bir penceresi olan geleneksel bir transistöre benzer. UGO fototransistör — kendisini gösteren iki ok bulunan bir transistör.

LED'ler ve fotodiyotlar genellikle çiftler halinde kullanılır.Bu durumda, fotodiyotun ışığa duyarlı alanı LED'in yayan alanının karşısında olacak şekilde tek bir mahfazaya yerleştirilirler. LED fotodiyot çiftleri kullanan yarı iletken cihazlara denir. optokuplörler (Şek. 3).

Pirinç. 3. Optik bağlayıcı: 1 — LED, 2 — fotodiyot

Bu tür cihazlarda giriş ve çıkış devreleri, sinyal optik radyasyonla iletildiği için hiçbir şekilde elektriksel olarak bağlı değildir.

Potapov L.A.