פוטודיודות: מכשיר, מאפיינים ועקרונות הפעולה
הפוטודיודה הפשוטה ביותר היא דיודה מוליכים למחצה קונבנציונליים המספקת את היכולת להשפיע על קרינה אופטית על צומת p - n.
במצב שיווי המשקל, כאשר שטף הקרינה נעדר לחלוטין, ריכוז הנשא, חלוקת הפוטנציאל ודיאגרמת פס האנרגיה של הפוטודיודה תואמים באופן מלא את מבנה ה-pn הרגיל.
כאשר נחשפים לקרינה בכיוון הניצב למישור של צומת p-n, כתוצאה מקליטת פוטונים בעלי אנרגיה גדולה מרוחב הפס, מופיעים זוגות אלקטרונים-חורים באזור ה-n. אלקטרונים וחורים אלה נקראים photocarriers.
במהלך דיפוזיה של photocarrier עמוק לתוך אזור n, השבר העיקרי של אלקטרונים וחורים אין זמן להתחבר מחדש ומגיע לגבול צומת p-n. כאן, נושאי הצילום מופרדים על ידי השדה החשמלי של צומת p - n והחורים עוברים לאזור p, והאלקטרונים אינם יכולים להתגבר על שדה המעבר ולהצטבר בגבול של צומת p - n ואזור n.
לפיכך, הזרם דרך צומת p - n נובע מסחיפה של נושאי מיעוטים - חורים. זרם הסחף של נושאי צילום נקרא זרם צילום.
פוטודיודות יכולות לפעול באחד משני מצבים - ללא מקור חיצוני של אנרגיה חשמלית (מצב פוטוגנרטור) או עם מקור חיצוני של אנרגיה חשמלית (מצב פוטו-ממיר).
פוטודיודות הפועלות במצב פוטוגנרטור משמשות לעתים קרובות כמקורות כוח הממירים אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית. הם נקראים תאים סולאריים והם חלק מפאנלים סולאריים המשמשים בחללית.
היעילות של תאים סולאריים מסיליקון היא בסביבות 20%, בעוד שלתאים סולאריים בסרט זה יכול להיות הרבה יותר חשוב. פרמטרים טכניים חשובים של תאים סולאריים הם היחס בין הספק התפוקה שלהם למסה ולשטח התפוס על ידי התא הסולארי. פרמטרים אלה מגיעים לערכים של 200 W/kg ו-1 kW/m2, בהתאמה.
כאשר הפוטודיודה פועלת במצב המרת צילום, ספק הכוח E מחובר למעגל בכיוון החסימה (איור 1, א). הענפים ההפוכים של I - V האופייניים לפוטודיודה משמשים ברמות שונות של תאורה (איור 1, ב).
אורז. 1. תוכנית הפעלת הפוטודיודה במצב פוטו-המרה: א - מעגל מיתוג, ב - I - V המאפיין את הפוטודיודה
את הזרם והמתח בנגד העומס Rn ניתן לקבוע באופן גרפי מנקודות החיתוך של מאפיין הזרם-מתח של הפוטודיודה וקו העומס המתאים להתנגדות של הנגד Rn. בהיעדר תאורה, הפוטודיודה פועלת במצב של דיודה קונבנציונלית. הזרם הכהה עבור פוטודיודות גרמניום הוא 10 - 30 מיקרו-אמפר, עבור פוטודיודות סיליקון 1 - 3 מיקרו-אמפר.
אם בפוטודיודות, כמו בדיודות זנר מוליכים למחצה, נעשה שימוש בהתמוטטות חשמלית הפיכה המלווה בכפל מפולת של נושאי מטען, אז זרם הפוטו, ומכאן הרגישות, יוגדל מאוד.
הרגישות של פוטו-דיודות מפולת יכולה להיות גבוהה בכמה סדרי גודל מזו של פוטו-דיודות קונבנציונליות (עבור גרמניום - פי 200 - 300, לסיליקון - פי 104 - 106).
פוטו-דיודות מפולת הן מכשירים פוטו-וולטאיים במהירות גבוהה עם טווח תדרים של עד 10 גיגה-הרץ. החיסרון של פוטו-דיודות מפולת הוא רמת הרעש הגבוהה יותר בהשוואה לפוטודיודות קונבנציונליות.
אורז. 2. דיאגרמת מעגל של מאפייני הפוטו-נגד (א), UGO (b), אנרגיה (ג) וזרם-מתח (ד) של הפוטו-נגד.
בנוסף לפוטודיודות, משתמשים בפוטו-נגדים (איור 2), פוטוטרנזיסטורים ופוטוטיריסטורים, המשתמשים באפקט הפוטואלקטרי הפנימי. החיסרון האופייני להם הוא האינרציה הגבוהה שלהם (הגבלת תדר ההפעלה fgr <10 - 16 קילו-הרץ), מה שמגביל את השימוש בהם.
עיצוב הפוטו-טרנזיסטור דומה לטרנזיסטור קונבנציונלי שיש לו חלון במארז שדרכו ניתן להאיר את הבסיס. UGO phototransistor - טרנזיסטור עם שני חצים המצביעים עליו.
נוריות ופוטודיודות משמשות לעתים קרובות בזוגות.במקרה זה, הם ממוקמים בדיור אחד כך שהאזור הרגיש לאור של הפוטודיודה ממוקם מול האזור הפולט של ה-LED. התקני מוליכים למחצה המשתמשים בזוגות של LED-פוטודיודות נקראים מצמדים אופטו (איור 3).
אורז. 3. מצמד אופטו: 1 - LED, 2 - פוטודיודה
מעגלי הקלט והיציאה במכשירים כאלה אינם מחוברים חשמלית בשום אופן, מכיוון שהאות מועבר על ידי קרינה אופטית.
פוטאפוב ל.א.