Fotodiodi: dispositivo, caratteristiche e principi di funzionamento

Il fotodiodo più semplice è un diodo a semiconduttore convenzionale che offre la capacità di influenzare la radiazione ottica sulla giunzione p-n.

Nello stato di equilibrio, quando il flusso di radiazione è completamente assente, la concentrazione dei portatori, la distribuzione del potenziale e il diagramma delle bande di energia del fotodiodo corrispondono pienamente alla consueta struttura pn.

Quando esposti a radiazioni in una direzione perpendicolare al piano della giunzione p-n, come risultato dell'assorbimento di fotoni con energia maggiore della larghezza di banda, le coppie elettrone-lacuna compaiono nella regione n. Questi elettroni e lacune sono chiamati fotoportatori.

Durante la diffusione del fotoportante in profondità nella regione n, la frazione principale di elettroni e lacune non ha il tempo di ricombinarsi e raggiunge il confine della giunzione p-n. Qui, i fotoportatori sono separati dal campo elettrico della giunzione p — n e le lacune passano nella regione p, e gli elettroni non possono superare il campo di transizione e si accumulano al confine della giunzione p — n e della regione n.

Pertanto, la corrente attraverso la giunzione p-n è dovuta alla deriva dei portatori minoritari: i fori. La corrente di deriva dei fotoportatori è chiamata fotocorrente.

I fotoportatori-lacune caricano la regione p positivamente rispetto alla regione n, e i fotoportatori-elettroni-la regione n negativamente rispetto alla regione p. La differenza di potenziale risultante è chiamata potenziale fotoelettrico Ef. La corrente generata nel fotodiodo è invertita, è diretta dal catodo all'anodo e il suo valore è tanto maggiore quanto maggiore è l'illuminazione.

I fotodiodi possono funzionare in una delle due modalità: senza una fonte esterna di energia elettrica (modalità fotogeneratore) o con una fonte esterna di energia elettrica (modalità fotoconvertitore).

I fotodiodi che funzionano in modalità fotogeneratore sono spesso usati come fonti di energia che convertono l'energia solare in energia elettrica. Si chiamano celle solari e fanno parte dei pannelli solari utilizzati nei veicoli spaziali.

L'efficienza delle celle solari al silicio è di circa il 20%, mentre per le celle solari a film può essere molto più importante. Importanti parametri tecnici delle celle solari sono il rapporto tra la loro potenza di uscita e la massa e l'area occupata dalla cella solare. Questi parametri raggiungono rispettivamente valori di 200 W/kg e 1 kW/m2.

Quando il fotodiodo funziona in modalità fotoconversione, l'alimentatore E è collegato al circuito nella direzione di blocco (Fig. 1, a). I rami inversi della caratteristica I - V del fotodiodo sono utilizzati a diversi livelli di illuminazione (Fig. 1, b).

Riso. 1. Schema di accensione del fotodiodo in modalità fotoconversione: a - circuito di commutazione, b - I - V caratteristica del fotodiodo

La corrente e la tensione nel resistore di carico Rn possono essere determinate graficamente dai punti di intersezione della caratteristica corrente-tensione del fotodiodo e della linea di carico corrispondente alla resistenza del resistore Rn. In assenza di illuminazione, il fotodiodo funziona come un diodo convenzionale. La corrente di buio per i fotodiodi al germanio è 10 - 30 μA, per i fotodiodi al silicio 1 - 3 μA.

Se nei fotodiodi, come nei diodi zener a semiconduttore, viene utilizzato un guasto elettrico reversibile accompagnato dalla moltiplicazione a valanga dei portatori di carica, la fotocorrente, e quindi la sensibilità, aumenteranno notevolmente.

La sensibilità dei fotodiodi a valanga può essere di diversi ordini di grandezza superiore a quella dei fotodiodi convenzionali (per germanio - 200 - 300 volte, per silicio - 104 - 106 volte).

I fotodiodi a valanga sono dispositivi fotovoltaici ad alta velocità con una gamma di frequenze fino a 10 GHz. Lo svantaggio dei fotodiodi a valanga è il livello di rumore più elevato rispetto ai fotodiodi convenzionali.

Riso. 2. Schema circuitale della fotoresistenza (a), UGO (b), energia (c) e caratteristiche corrente-tensione (d) della fotoresistenza

Oltre ai fotodiodi, vengono utilizzati fotoresistori (Figura 2), fototransistor e fototiristori, che sfruttano l'effetto fotoelettrico interno. Il loro svantaggio caratteristico è la loro elevata inerzia (limitazione della frequenza operativa fgr <10 — 16 kHz), che ne limita l'uso.

Il design del fototransistor è simile a un transistor convenzionale che ha una finestra nella custodia attraverso la quale può essere illuminata la base. Fototransistor UGO: un transistor con due frecce rivolte verso di esso.

LED e fotodiodi sono spesso usati in coppia.In questo caso vengono inseriti in un alloggiamento in modo che l'area fotosensibile del fotodiodo si trovi di fronte all'area di emissione del LED. Vengono chiamati dispositivi a semiconduttore che utilizzano coppie di fotodiodi LED optoaccoppiatori (figura 3).

Riso. 3. Accoppiatore ottico: 1 — LED, 2 — fotodiodo

I circuiti di ingresso e uscita in tali dispositivi non sono collegati elettricamente in alcun modo, poiché il segnale viene trasmesso mediante radiazione ottica.

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