โฟโตไดโอด: อุปกรณ์ ลักษณะ และหลักการทำงาน
โฟโตไดโอดที่ง่ายที่สุดคือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปที่ให้ความสามารถในการมีอิทธิพลต่อการแผ่รังสีแสงบนจุดเชื่อมต่อ p — n
ในสภาวะสมดุล เมื่อฟลักซ์การแผ่รังสีขาดหายไปอย่างสมบูรณ์ ความเข้มข้นของพาหะ การกระจายศักย์ และไดอะแกรมแถบพลังงานของโฟโตไดโอดจะสอดคล้องกับโครงสร้าง pn ตามปกติอย่างสมบูรณ์
เมื่อได้รับรังสีในทิศทางที่ตั้งฉากกับระนาบของจุดแยก p-n อันเป็นผลมาจากการดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่าความกว้างของแถบ คู่อิเล็กตรอน-รูจะปรากฏในบริเวณ n อิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้เรียกว่าโฟโตแคริเออร์
ในระหว่างการแพร่กระจายของโฟโตแคริเออร์ลึกเข้าไปในบริเวณ n เศษส่วนหลักของอิเล็กตรอนและโฮลจะไม่มีเวลารวมตัวกันใหม่และไปถึงขอบเขตรอยต่อ p-n ที่นี่ photocarriers ถูกแยกออกจากกันโดยสนามไฟฟ้าของจุดแยก p — n และรูผ่านเข้าไปในบริเวณ p และอิเล็กตรอนไม่สามารถเอาชนะสนามการเปลี่ยนแปลงและสะสมที่ขอบเขตของจุดเชื่อมต่อ p — n และบริเวณ n
ดังนั้นกระแสที่ผ่านทางแยก p - n นั้นเกิดจากการเลื่อนของพาหะของชนกลุ่มน้อย - รู กระแสลอยของโฟโตแคริเออร์เรียกว่าโฟโตเคอร์เรนต์
โฟโตไดโอดสามารถทำงานในโหมดใดโหมดหนึ่งจากสองโหมด — โดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอก (โหมดโฟโตเจนเนอเรเตอร์) หรือด้วยแหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอก (โหมดโฟโตคอนเวอร์เตอร์)
โฟโตไดโอดที่ทำงานในโหมดโฟโตเจนเนอเรเตอร์มักใช้เป็นแหล่งพลังงานที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์และเป็นส่วนหนึ่งของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในยานอวกาศ
ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนอยู่ที่ประมาณ 20% ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มอาจมีความสำคัญมากกว่ามาก พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์คืออัตราส่วนของกำลังขับต่อมวลและพื้นที่ที่เซลล์แสงอาทิตย์ครอบครอง พารามิเตอร์เหล่านี้มีค่าถึง 200 W / kg และ 1 kW / m2 ตามลำดับ
เมื่อโฟโตไดโอดทำงานในโหมดโฟโตคอนเวอร์ชัน แหล่งจ่ายไฟ E จะเชื่อมต่อกับวงจรในทิศทางปิดกั้น (รูปที่ 1, a) กิ่งก้านย้อนกลับของคุณสมบัติ I — V ของโฟโตไดโอดนั้นใช้ในระดับการส่องสว่างที่แตกต่างกัน (รูปที่ 1, b)
ข้าว. 1. รูปแบบการเปิดโฟโตไดโอดในโหมดโฟโตคอนเวอร์ชัน: a — วงจรสวิตชิ่ง, b — I — V ลักษณะเฉพาะของโฟโตไดโอด
กระแสและแรงดันในตัวต้านทานโหลด Rn สามารถกำหนดได้แบบกราฟิกจากจุดตัดของคุณลักษณะกระแส-แรงดันของโฟโตไดโอดและเส้นโหลดที่สอดคล้องกับความต้านทานของตัวต้านทาน Rn ในกรณีที่ไม่มีแสงสว่าง โฟโตไดโอดจะทำงานในโหมดของไดโอดทั่วไป กระแสมืดสำหรับโฟโตไดโอดเจอร์เมเนียมคือ 10 — 30 μA สำหรับโฟโตไดโอดซิลิคอน 1 — 3 μA
หากการสลายทางไฟฟ้าแบบพลิกกลับได้พร้อมกับการเพิ่มจำนวนตัวพาประจุแบบถล่มทลายถูกนำมาใช้ในโฟโตไดโอด เช่นเดียวกับในไดโอดซีเนอร์ของเซมิคอนดักเตอร์ โฟโตเคอร์เรนต์และด้วยเหตุนี้ความไวจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก
ความไวของโฟโตไดโอดหิมะถล่มอาจสูงกว่าโฟโตไดโอดทั่วไปหลายลำดับ (สำหรับเจอร์เมเนียม — 200 — 300 เท่า สำหรับซิลิกอน — 104 — 106 เท่า)
โฟโตไดโอด Avalanche เป็นอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์ความเร็วสูงที่มีช่วงความถี่สูงถึง 10 GHz ข้อเสียของโฟโตไดโอดหิมะถล่มคือระดับสัญญาณรบกวนที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับโฟโตไดโอดทั่วไป
ข้าว. 2. แผนภาพวงจรของโฟโตรีซีสเตอร์ (a), UGO (b), พลังงาน (c) และลักษณะกระแส-แรงดัน (d) ของโฟโตรีซีสเตอร์
นอกจากโฟโตไดโอดแล้ว โฟโตรีซิสเตอร์ (รูปที่ 2) ยังใช้โฟโตทรานซิสเตอร์และโฟโตไทริสเตอร์ซึ่งใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายใน ข้อเสียที่เป็นลักษณะเฉพาะคือความเฉื่อยสูง (จำกัดความถี่ในการทำงาน fgr <10 — 16 kHz) ซึ่งจำกัดการใช้งาน
การออกแบบของโฟโต้ทรานซิสเตอร์นั้นคล้ายกับทรานซิสเตอร์ทั่วไปที่มีหน้าต่างในกล่องซึ่งฐานสามารถส่องผ่านได้ UGO phototransistor — ทรานซิสเตอร์ที่มีลูกศรชี้ไปที่มัน
LED และโฟโตไดโอดมักใช้คู่กันในกรณีนี้พวกเขาจะอยู่ในที่อยู่อาศัยเดียวเพื่อให้พื้นที่แสงของโฟโตไดโอดอยู่ตรงข้ามกับพื้นที่เปล่งแสงของ LED อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้โฟโตไดโอด LED คู่เรียกว่า ออปโตคัปเปลอร์ (รูปที่ 3)
ข้าว. 3. ออปโตคัปเปลอร์: 1 — LED, 2 — โฟโตไดโอด
วงจรอินพุตและเอาต์พุตในอุปกรณ์ดังกล่าวไม่ได้เชื่อมต่อทางไฟฟ้า แต่อย่างใด เนื่องจากสัญญาณถูกส่งโดยรังสีออปติก
โปตาปอฟ แอล.เอ.