ФОТОДІОДИ

•У фотодіодах кристал напівпровідника обернений до скляного вікна, через яке надходить світловий потік. Під дією світла на p–n перехід фотодіода внаслідок явища внутрішнього фотоефекту в областях біля переходу відбувається додаткова генерація пар “електрон-дірка”. Під дією дифузійного поля p–n переходу фотодірки переміщуються до p-області, а фотоелектрони – до n області. При цьому створюється фото ЕРС EФ= (0,1 1,0) В, залежність якої від світлового потоку показана на рис. 1.

•Під дією цієї фото ЕРС у зовнішньому колі фотодіода протікає фотострум IФ, що збігається за напрямком зі зворотним струмом p-n – переходу (рис. 2).

•Оскільки фотострум протікає незалежно від струму, який викликається зовнішнім джерелом напруги, то вираз для повного струму може бути записаний у вигляді I=IS(- 1)

де IS - струм насичення (екстракції) – переходу; U - зовнішня напруга; IФ - фотострум.

•Дія фото ЕРС на p–n перехід еквівалентна додатковому зворотному зміщенню переходу, наслідком чого є збільшення зворотного струму фотодіода на величину IФ .

•Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 3.

ФОТОДІОДИ

•Оскільки фото ЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I = 0 можна визначити за формулою: EФ= Тln()

•Цю фото ЕРС знаходять також з ВАХ.

•Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рис. 1) та фотодіодному (рис. б). У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EФ, у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі на ВАХ залежно від інтенсивності світла.

•У другому режимі (рис. 2) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями UЗВ, IЗВ, залежно від напруги джерела U і світлового потоку Ф.

•Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, але і від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p–n перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 3.

•Параметрами фотодіода є: темновий струм IТ струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; Uроб - робоча напруга напруга на діоді у фотодіодному режимі; SФ=IФ/Ф інтегральна чутливість.

Вентильний і фотодіодний режими роботи фотоелемента

Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Опанасюк А.С. 53

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

•До таких фотоприймачів належать фототранзистори та фототиристори.

•Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах,

фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

•Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою (IБ=0) (рис. ). Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невеликий темновий струм

IТ=IКБ0(h21Е+1).

При освітленні області бази через вікно (Ф>0) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під дією цих електронів зростає струм на величину IФ. Дірки створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково зростає на величину h21Е IФ. Тобто фотодірки у базі відіграють роль вхідного струму бази.

ФОТОПРИЙМАЧІ З ВНУТРІШНІМ ПІДСИЛЕННЯМ

•Загальний колекторний струм фототранзистора

IК=IФ+h21ЕIФ+IТ= (1+h21Е)IФ+IТ

•Сім’я ВАХ фототранзистора IК = f(UКБ) Ф = const показана на рис. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою, до зростання колекторного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора SФ в (1+h21Е) раз більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм IФ підсилюється в (1+h21Е) раз.

•Фототиристори (рис.) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою, вони застосовуються для перемикання великих струмів і напруги. ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку показана на рис.

•Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

Опанасюк А.С. 55

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ

•До основних параметрів фотоприймачів відносяться:

•1. Довгохвильова границя 0 або довжина хвилі, що відповідає максимуму фоточутливості m;

•2. Спектральна чутливість R - величина вихідного сигналу, що припадає на одиницю потужності монохроматичного випромінювання у даній спектральній області;

•3 Мінімальна потужність що виявляється Pmin - потужність при якій вихідний сигнал дорівнює рівню шуму. Часто використовується еквівалентна потужність шуму.

NEP = Pmin( )-1/2

Тобто потужність, віднесена до одиничної полоси пропускання. Тут - ефективна полоса пропускання підсилювача.

4.Виявна здатність D* - величина обернена Pmin віднесена до одиничної полоси пропускання (1 Гц) і одиничної площі поверхні фотоприймача.

5.Квантова ефективність - число фотогенерованих носіїв, що припадають на один поглинутий фотон

6.Стала часу - час за який вихідний сигнал детектора досягне 63% максимального значення.

7. Опір приймача R або приведений опір. Звичайно він наводиться при нульовому зміщенні. 8. Гранична частота - найбільша робоча частота приладу.

56

ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ РОБОТИ СЕ

Перетворення енергії у фотоелектричних перетворювачах (ФЕП) засноване на фотовольтаїчному

ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання.

Неоднорідність структури ФЕП може бути отримана шляхом легуванням одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p–n - переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони (створення гетеропереходів).

Використовуються також МДП структури.

Опанасюк А.С. 57

КОНСТРУКЦІЯ СЕ

Принцип роботи СЕ можна пояснити на прикладі перетворювачів з p-n-переходом, які широко застосовуються у сучасній геліоенергетиці.

Опанасюк А.С. 58

p-n ПЕРЕХІД В СТАНІ РІВНОВАГИ

Опанасюк А.С. 59

ПОЯВА СТРУМУ ПРИ ОСВІТЛЕНІ

Неосновні носії вводяться через контакт

Кожного разу, коли неосновний носій-електрон рекомбінує на р-стороні, один електрон протікає у зовнішньому колі

Опанасюк А.С. 60