Fotodiodos: dispositivo, características y principios de funcionamiento.
El fotodiodo más simple es un diodo semiconductor convencional que proporciona la capacidad de influir en la radiación óptica en la unión p — n.
En el estado de equilibrio, cuando el flujo de radiación está completamente ausente, la concentración de portadores, la distribución de potencial y el diagrama de bandas de energía del fotodiodo corresponden completamente a la estructura pn habitual.
Cuando se expone a la radiación en una dirección perpendicular al plano de la unión p-n, como resultado de la absorción de fotones con energía mayor que el ancho de banda, aparecen pares electrón-hueco en la región n. Estos electrones y huecos se denominan fotoportadores.
Durante la difusión del fotoportador en lo profundo de la región n, la fracción principal de electrones y huecos no tiene tiempo para recombinarse y alcanza el límite de la unión p-n. Aquí, los fotoportadores están separados por el campo eléctrico de la unión p — n y los huecos pasan a la región p, y los electrones no pueden superar el campo de transición y acumularse en el límite de la unión p — n y la región n.
Por lo tanto, la corriente a través de la unión p — n se debe a la deriva de los portadores minoritarios — agujeros. La corriente de deriva de los fotoportadores se llama fotocorriente.
Los fotodiodos pueden funcionar en uno de dos modos: sin una fuente externa de energía eléctrica (modo fotogenerador) o con una fuente externa de energía eléctrica (modo fotoconvertidor).
Los fotodiodos que funcionan en modo fotogenerador se utilizan a menudo como fuentes de energía que convierten la energía solar en energía eléctrica. Se denominan células solares y forman parte de los paneles solares que se utilizan en las naves espaciales.
La eficiencia de las células solares de silicio es de alrededor del 20%, mientras que para las células solares de película puede ser mucho más importante. Los parámetros técnicos importantes de las células solares son la relación entre su potencia de salida y la masa y el área ocupada por la célula solar. Estos parámetros alcanzan valores de 200 W/kg y 1 kW/m2, respectivamente.
Cuando el fotodiodo funciona en el modo de fotoconversión, la fuente de alimentación E está conectada al circuito en la dirección de bloqueo (Fig. 1, a). Las ramas inversas de la característica I — V del fotodiodo se utilizan en diferentes niveles de iluminación (Fig. 1, b).
Arroz. 1. Esquema de encendido del fotodiodo en modo de fotoconversión: a - circuito de conmutación, b - I - V característica del fotodiodo
La corriente y el voltaje en la resistencia de carga Rn se pueden determinar gráficamente a partir de los puntos de intersección de la característica de corriente-voltaje del fotodiodo y la línea de carga correspondiente a la resistencia de la resistencia Rn. En ausencia de iluminación, el fotodiodo funciona como un diodo convencional. La corriente oscura para los fotodiodos de germanio es de 10 a 30 μA, para los fotodiodos de silicio de 1 a 3 μA.
Si se utiliza una ruptura eléctrica reversible acompañada de una multiplicación de avalancha de portadores de carga en los fotodiodos, como en los diodos zener semiconductores, entonces la fotocorriente y, por lo tanto, la sensibilidad aumentarán considerablemente.
La sensibilidad de los fotodiodos de avalancha puede ser varios órdenes de magnitud mayor que la de los fotodiodos convencionales (para germanio, 200 a 300 veces, para silicio, 104 a 106 veces).
Los fotodiodos de avalancha son dispositivos fotovoltaicos de alta velocidad con un rango de frecuencia de hasta 10 GHz. La desventaja de los fotodiodos de avalancha es el mayor nivel de ruido en comparación con los fotodiodos convencionales.
Arroz. 2. Diagrama de circuito del fotorresistor (a), UGO (b), energía (c) y características de corriente-voltaje (d) del fotorresistor
Además de los fotodiodos, se utilizan fotorresistores (Figura 2), fototransistores y fototiristores, que aprovechan el efecto fotoeléctrico interno. Su desventaja característica es su alta inercia (frecuencia de funcionamiento límite fgr <10 — 16 kHz), lo que limita su uso.
El diseño del fototransistor es similar a un transistor convencional que tiene una ventana en la carcasa a través de la cual se puede iluminar la base. Fototransistor UGO: un transistor con dos flechas apuntando hacia él.
Los LED y los fotodiodos a menudo se usan en pares.En este caso, se colocan en una carcasa para que el área fotosensible del fotodiodo se encuentre frente al área emisora del LED. Los dispositivos semiconductores que utilizan pares de fotodiodos LED se denominan optoacopladores (Fig. 3).
Arroz. 3. Optoacoplador: 1 — LED, 2 — fotodiodo
Los circuitos de entrada y salida en tales dispositivos no están conectados eléctricamente de ninguna manera, ya que la señal se transmite por radiación óptica.
Potapov LA