Φωτοδίοδοι: αναλυτικά σε απλή γλώσσα. Κύρια χαρακτηριστικά και παράμετροι των φωτοδιόδων Η φωτοδίοδος ως πηγή ενέργειας

Σκοπός: φωτοδίοδος- ένας δέκτης οπτικής ακτινοβολίας, που μετατρέπει το φως που έχει πέσει στη φωτοευαίσθητη περιοχή του σε ηλεκτρικό φορτίο.

Λειτουργική αρχή: Η πιο απλή φωτοδίοδοςείναι μια συμβατική δίοδος ημιαγωγών, η οποία παρέχει τη δυνατότητα έκθεσης στην οπτική ακτινοβολία στη διασταύρωση p–n. Όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία σε κατεύθυνση κάθετη στο επίπεδο της ένωσης p-n, ως αποτέλεσμα της απορρόφησης φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης, εμφανίζονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στην περιοχή n. Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές ονομάζονται φωτοφορείς. Όταν οι φωτοφορείς διαχέονται βαθιά στην περιοχή n, το κύριο κλάσμα των ηλεκτρονίων και των οπών δεν έχει χρόνο να ανασυνδυαστεί και φτάνει στο όριο της διασταύρωσης p–n. Εδώ, οι φωτοφορείς χωρίζονται από το ηλεκτρικό πεδίο της διασταύρωσης p-n και οι οπές περνούν στην περιοχή p, ενώ τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ξεπεράσουν το μεταβατικό πεδίο και συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια μεταξύ της διασταύρωσης p-n και της περιοχής n. Έτσι, το ρεύμα μέσω της διασταύρωσης p–n οφείλεται στη μετατόπιση των μειοψηφικών φορέων – οπών. Το ρεύμα μετατόπισης των φωτοφορέων ονομάζεται φωτορεύμα.

Οι φωτοδίοδοι μπορούν να λειτουργήσουν σε έναν από τους δύο τρόπους λειτουργίας - χωρίς εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (λειτουργία φωτογεννήτριας) ή με εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (λειτουργία φωτομετατροπέα).

Συσκευή: δομικό διάγραμμα φωτοδιόδου. 1 - κρύσταλλο ημιαγωγών. 2 - επαφές. 3 - συμπεράσματα. Ф - ροή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. E - πηγή συνεχούς ρεύματος. Rn - φορτίο.

Επιλογές: ευαισθησία (αντανακλά την αλλαγή στην ηλεκτρική κατάσταση στην έξοδο της φωτοδιόδου όταν εφαρμόζεται ένα μόνο οπτικό σήμα στην είσοδο.) θόρυβος (εκτός από το χρήσιμο σήμα, εμφανίζεται ένα χαοτικό σήμα στην έξοδο της φωτοδιόδου με τυχαίο πλάτος και φάσμα- θόρυβος φωτοδιόδου)

Χαρακτηριστικά: α) Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσηςΗ φωτοδίοδος είναι η εξάρτηση της τάσης εξόδου από το ρεύμα εισόδου. β) χαρακτηριστικό φωτόςη εξάρτηση του φωτορεύματος από τον φωτισμό αντιστοιχεί στην ευθεία αναλογικότητα του φωτορεύματος από τον φωτισμό. γ) φασματικό χαρακτηριστικό της φωτοδιόδουείναι η εξάρτηση του φωτορεύματος από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός στη φωτοδίοδο.

Εφαρμογή: α) Οπτοηλεκτρονικά Ολοκληρωμένα κυκλώματα.

β) φωτοανιχνευτές πολλαπλών στοιχείων.γ) οπτοζεύκτες.

9. LED. Σκοπός, συσκευή, αρχή λειτουργίας, βασικές παράμετροι και χαρακτηριστικά.

Σκοπός: LEDΜια συσκευή ημιαγωγών που εκπέμπει φως όταν το ρεύμα διέρχεται μέσω αυτής προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός.

Αρχή λειτουργίας: Η εργασία βασίζεται στο φυσικό φαινόμενο της εμφάνισης φωτεινής ακτινοβολίας κατά τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από τη διασταύρωση p-n. Το χρώμα της λάμψης (το μήκος κύματος του μέγιστου φάσματος εκπομπής) καθορίζεται από τον τύπο των υλικών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται και σχηματίζουν τη διασταύρωση p-n.

Το LED είναι μια συσκευή εκπομπής ημιαγωγών με μία ή περισσότερες διασταυρώσεις n-p, η οποία μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια ασυνάρτητης ακτινοβολίας φωτός. Η ακτινοβολία εμφανίζεται ως αποτέλεσμα του ανασυνδυασμού των εγχυόμενων φορέων σε μία από τις περιοχές που γειτνιάζουν με τη διασταύρωση n-p. Ο ανασυνδυασμός συμβαίνει όταν οι φορείς μετακινούνται από τα ανώτερα επίπεδα στα χαμηλότερα.

Χαρακτηριστικά και παράμετροι: η κύρια παράμετρος των LED είναι η εσωτερική κβαντική απόδοση (ο λόγος του αριθμού των φωτονίων προς τον αριθμό των φορέων που εγχέονται στη βάση) και η εξωτερική απόδοση (ο λόγος της ροής φωτονίων από το LED προς τη ροή του φορέα φορτίου μέσα σε αυτό). Η εξωτερική απόδοση καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την τεχνολογία και με την ανάπτυξη του επιπέδου της μπορεί να αυξηθεί σημαντικά.

Τα κύρια χαρακτηριστικά των LED είναι το ρεύμα-τάση, η φωτεινότητα και το φασματικό. Οι κύριες παράμετροι των διόδων εκπομπής φωτός είναι το μήκος κύματος, το μισό πλάτος του φάσματος εκπομπής, η ισχύς εκπομπής, η συχνότητα λειτουργίας και το σχέδιο ακτινοβολίας.

Τα LED χρησιμοποιούνται ευρέως σε ψηφιακές ενδείξεις, οθόνες φωτός και οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Κατ 'αρχήν, είναι δυνατό να σχηματιστεί μια έγχρωμη οθόνη τηλεόρασης στη βάση τους.

Ξεχωριστή θέση στην ηλεκτρική μηχανική κατέχουν οι φωτοδίοδοι, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε διάφορες συσκευές και συσκευές. Μια φωτοδίοδος είναι ένα στοιχείο ημιαγωγού που μοιάζει στις ιδιότητές του με μια απλή δίοδο. Το αντίστροφο ρεύμα του εξαρτάται άμεσα από την ένταση της φωτεινής ροής που πέφτει πάνω του. Τις περισσότερες φορές, ως φωτοδίοδος χρησιμοποιούνται στοιχεία ημιαγωγών με διασταύρωση p-n.

Συσκευή και αρχή λειτουργίας

Η φωτοδίοδος είναι μέρος πολλών ηλεκτρονικών συσκευών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο έχει κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα. Ένα συνηθισμένο LED είναι μια δίοδος με διασταύρωση p-n, η αγωγιμότητα της οποίας εξαρτάται από το φως που πέφτει πάνω της. Στο σκοτάδι, η φωτοδίοδος έχει τα χαρακτηριστικά μιας συμβατικής διόδου.

1 - διασταύρωση ημιαγωγών.
2 - θετικός πόλος.
3 - φωτοευαίσθητο στρώμα.
4 - αρνητικός πόλος.

Κάτω από τη δράση μιας φωτεινής ροής στο μεταβατικό επίπεδο, τα φωτόνια απορροφώνται με ενέργεια που υπερβαίνει την οριακή τιμή· επομένως, σχηματίζονται ζεύγη φορέων φορτίου - φωτοφορείς - στην περιοχή n.

Κατά την ανάμιξη φωτοφορέων στο βάθος της περιοχής "n", το κύριο μέρος των φορέων δεν έχει χρόνο να ανασυνδυαστεί και περνά στο όριο p-n. Κατά τη μετάβαση, οι φωτοφορείς χωρίζονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, οι οπές περνούν στην περιοχή "p" και τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να περάσουν από τη μετάβαση, επομένως συσσωρεύονται κοντά στο όριο της μετάβασης p-n, καθώς και στην περιοχή "n".

Το αντίστροφο ρεύμα της διόδου αυξάνεται όταν εκτίθεται στο φως. Η τιμή κατά την οποία αυξάνεται το αντίστροφο ρεύμα ονομάζεται φωτορεύμα.

Οι φωτοφορείς με τη μορφή οπών εκτελούν ένα θετικό φορτίο της περιοχής "p" σε σχέση με την περιοχή "n". Με τη σειρά τους, τα ηλεκτρόνια παράγουν αρνητικό φορτίο στην περιοχή "n" σε σχέση με την περιοχή "p". Η διαφορά δυναμικού που προκύπτει ονομάζεται φωτοηλεκτρική δύναμη και συμβολίζεται με "E f". Το ηλεκτρικό ρεύμα που εμφανίζεται στη φωτοδίοδο είναι αντίστροφο και κατευθύνεται από την κάθοδο στην άνοδο. Επιπλέον, η αξία του εξαρτάται από την ποσότητα φωτισμού.

Τρόποι λειτουργίας

Οι φωτοδίοδοι μπορούν να λειτουργούν στις ακόλουθες λειτουργίες:

• Λειτουργία φωτογεννήτριας. Χωρίς σύνδεση ρεύματος.
• Λειτουργία φωτομετατροπέα. Με εξωτερική σύνδεση τροφοδοσίας.

Στη δουλειά φωτογεννήτρια Χρησιμοποιούνται φωτοδίοδοι αντί για πηγή ενέργειας που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Τέτοιες φωτογεννήτριες ονομάζονται ηλιακά κύτταρα. Είναι τα κύρια μέρη των ηλιακών συλλεκτών που χρησιμοποιούνται σε διάφορες συσκευές, συμπεριλαμβανομένων εκείνων στα διαστημόπλοια.

Η απόδοση των ηλιακών κυψελών με βάση το πυρίτιο είναι 20%, για τα κύτταρα φιλμ αυτή η παράμετρος είναι πολύ υψηλότερη. Μια σημαντική ιδιότητα των ηλιακών κυψελών είναι η εξάρτηση της ισχύος εξόδου από το βάρος και την περιοχή του ευαίσθητου στρώματος. Αυτές οι ιδιότητες φτάνουν σε τιμές 200 W/kg και 1 kW/m 2.

Όταν η φωτοδίοδος λειτουργεί ως φωτομετατροπέας , η πηγή τάσης συνδέεται στο κύκλωμα με αντίστροφη πολικότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιούνται αντίστροφα γραφήματα του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης για διαφορετικές συνθήκες φωτισμού.

Η τάση και το ρεύμα στο φορτίο R n προσδιορίζονται στο γράφημα από τις τομές των χαρακτηριστικών της φωτοδιόδου και της γραμμής φορτίου, που αντιστοιχεί στην αντίσταση R n. Στο σκοτάδι, η φωτοδίοδος είναι ισοδύναμη στη δράση της με μια συμβατική δίοδο. Το ρεύμα στη σκοτεινή λειτουργία για διόδους πυριτίου κυμαίνεται από 1 έως 3 μικροαμπέρ, για διόδους γερμανίου από 10 έως 30 μικροαμπέρ.

Τύποι φωτοδιόδων

Υπάρχουν διάφοροι τύποι φωτοδιόδων που έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα.

Π – Εγώ – nφωτοδίοδος

Στην περιοχή p-n, αυτή η δίοδος έχει ένα τμήμα με υψηλή αντίσταση και εγγενή αγωγιμότητα. Όταν εκτίθεται στο φως, εμφανίζονται ζεύγη οπών και ηλεκτρονίων. Το ηλεκτρικό πεδίο σε αυτή τη ζώνη έχει σταθερή τιμή, δεν υπάρχει φορτίο χώρου.

Αυτό το βοηθητικό στρώμα μειώνει σημαντικά τη χωρητικότητα του στρώματος φραγμού και είναι ανεξάρτητο από την τάση. Αυτό επεκτείνει τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας των διόδων. Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα αυξάνεται απότομα και η συχνότητα φτάνει τα 10 10 hertz. Η αυξημένη αντίσταση αυτού του στρώματος μειώνει σημαντικά το ρεύμα λειτουργίας απουσία φωτισμού. Για να μπορέσει η φωτεινή ροή να διαπεράσει το στρώμα p, δεν πρέπει να είναι παχύ.

Φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας

Αυτός ο τύπος διόδου είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος ημιαγωγός που μετατρέπει το φως σε σήμα ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιώντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Με άλλα λόγια, πρόκειται για φωτοανιχνευτές που ενισχύουν το σήμα λόγω του φαινομένου πολλαπλασιασμού της χιονοστιβάδας.

1 - ωμικές επαφές 2 - αντιανακλαστική επίστρωση

Οι φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας είναι πιο ευαίσθητες από άλλους φωτοανιχνευτές. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση τους σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.

Τα υπερδικτυώματα χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό φωτοδιόδων χιονοστιβάδας. Η ουσία τους έγκειται στο γεγονός ότι σημαντικές διαφορές στον ιονισμό κρούσης των φορέων οδηγούν σε πτώση του θορύβου.

Ένα άλλο πλεονέκτημα της χρήσης παρόμοιων δομών είναι ο εντοπισμός της αναπαραγωγής χιονοστιβάδων. Μειώνει επίσης τις παρεμβολές. Στο υπερπλέγμα, το πάχος των στρωμάτων είναι από 100 έως 500 angstroms.

Λειτουργική αρχή

Σε αντίστροφη τάση κοντά στην τιμή διάσπασης της χιονοστιβάδας, το φωτορεύμα αυξάνεται απότομα λόγω του ιονισμού κρούσης των φορέων φορτίου. Η δράση είναι ότι η ενέργεια του ηλεκτρονίου αυξάνεται από το εξωτερικό πεδίο και μπορεί να υπερβεί το όριο ιοντισμού της ουσίας, με αποτέλεσμα η συνάντηση αυτού του ηλεκτρονίου με ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους να οδηγήσει στην εμφάνιση ενός νέου ζεύγους του ηλεκτρονίου και της οπής. Οι φορείς φορτίου αυτού του ζεύγους θα επιταχυνθούν από το πεδίο και μπορεί να συμβάλουν στο σχηματισμό νέων φορέων φορτίου.

Χαρακτηριστικά

Οι ιδιότητες τέτοιων διόδων φωτός μπορούν να περιγραφούν από ορισμένες εξαρτήσεις.

Βολτ-αμπέρ

Αυτό το χαρακτηριστικό είναι η εξάρτηση της ισχύος του ρεύματος σε μια σταθερή ροή φωτός από την τάση.

Εγώ- ρεύμα Μ- συντελεστής πολλαπλασιασμού U- Τάση

Φωτεινός

Αυτή η ιδιότητα είναι η εξάρτηση του ρεύματος της διόδου από τον φωτισμό. Καθώς η ροή φωτός αυξάνεται, το φωτορεύμα αυξάνεται.

Φασματικός

Αυτή η ιδιότητα είναι η εξάρτηση του ρεύματος της διόδου από το μήκος κύματος του φωτός και είναι το πλάτος της οριακής ζώνης.

Χρονική σταθερά

Αυτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να αλλάξει το φωτορεύμα της διόδου μετά την εφαρμογή του φωτός σε σύγκριση με την τιμή σταθερής κατάστασης.

σκοτεινή αντίσταση

Αυτή είναι η τιμή αντίστασης της διόδου στο σκοτάδι.

αδράνεια

Παράγοντες που επηρεάζουν αυτό το χαρακτηριστικό:

• Χρόνος διάχυσης φορέων φορτίου μη ισορροπίας.
• Χρόνος διέλευσης κατά μήκος της μετάβασης p-n.
• Η περίοδος επαναφόρτισης της χωρητικότητας του φράγματος διασταύρωσης p-n.

Πεδίο εφαρμογής

Οι φωτοδίοδοι είναι τα κύρια στοιχεία πολλών οπτοηλεκτρονικών συσκευών.

Ολοκληρωμένα κυκλώματα (οπτοηλεκτρονικά)

Μια φωτοδίοδος μπορεί να έχει σημαντική ταχύτητα λειτουργίας, αλλά ο τρέχων συντελεστής ενίσχυσης δεν είναι περισσότερο από μονάδα. Λόγω της οπτικής σύνδεσης, τα μικροκυκλώματα έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα: ιδανική γαλβανική απομόνωση κυκλωμάτων ελέγχου από ισχυρά κυκλώματα ισχύος. Ταυτόχρονα, διατηρείται μια λειτουργική σχέση μεταξύ τους.

Φωτοανιχνευτές με πολλαπλά στοιχεία

Αυτές οι συσκευές με τη μορφή μήτρας φωτοδιόδου, σαρωτή, είναι νέες προοδευτικές ηλεκτρονικές συσκευές. Το οπτοηλεκτρονικό τους μάτι με μια φωτοδίοδο μπορεί να δημιουργήσει μια απόκριση στις ιδιότητες του χώρου και της φωτεινότητας των αντικειμένων. Μπορεί δηλαδή να δει την πλήρη οπτική του εικόνα.

Ο αριθμός των κυττάρων που είναι ευαίσθητα στο φως είναι πολύ μεγάλος. Επομένως, εκτός από θέματα ταχύτητας και ευαισθησίας, είναι απαραίτητο να διαβάζετε πληροφορίες. Όλοι οι φωτοανιχνευτές με πολλαπλά φωτοκύτταρα είναι συστήματα σάρωσης, δηλαδή συσκευές που σας επιτρέπουν να αναλύσετε τον μελετημένο χώρο με διαδοχική προβολή στοιχείο προς στοιχείο.

Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε γραμμές οπτικών ινών και αποστασιομετρητές λέιζερ. Πρόσφατα, τέτοιες δίοδοι φωτός έχουν χρησιμοποιηθεί στην τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων.

Επί του παρόντος, υπάρχουν δείγματα φωτοευαίσθητων μητρών που αποτελούνται από φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας. Η αποτελεσματικότητα και το εύρος τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες.

Οι παράγοντες με τη μεγαλύτερη επιρροή ήταν:

• Το συνολικό ρεύμα διαρροής που προκύπτει από την προσθήκη θορύβου και ρεύματος απουσία φωτός.
• Κβαντική απόδοση, η οποία καθορίζει την αναλογία των προσπίπτοντων κβαντών, οδηγώντας στην εμφάνιση φερόντων ρεύματος και φορτίου.

Εργαστήριο #16

Μελέτη φωτοδιόδου

Στόχος:Εξοικειωθείτε με την αρχή λειτουργίας, τη συσκευή, τα χαρακτηριστικά και την εφαρμογή των φωτοδιόδων ημιαγωγών.

Όργανα και αξεσουάρ:φωτοδίοδος γερμανίου FD-7G, βάση για τη μέτρηση των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης διόδων, οπτικός πάγκος με φωτιστικό, τροφοδοτικό, παλμογράφος.

Θεωρητική εισαγωγή

φωτοδίοδοςονομάζεται δίοδος ημιαγωγών που είναι ευαίσθητη στο φως και έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει τη φωτεινή ροή (οπτική ακτινοβολία) σε ηλεκτρικό σήμα.

Χωρίς να διαφέρουν στην αρχή της λειτουργίας από τον φωτομετατροπέα ηλιακής ενέργειας, οι φωτοδίοδοι έχουν τα δικά τους σχεδιαστικά χαρακτηριστικά και χαρακτηριστικά, τα οποία καθορίζονται από τον σκοπό τους.

Οι φωτοδίοδοι προορίζονται για χρήση ως δέκτες και αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας (συνήθως ορατής και υπέρυθρης) ως μέρος εξοπλισμού και διαφόρων συσκευών που χρησιμοποιούν ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία.

Η λειτουργία των φωτοδιόδων βασίζεται στο φαινόμενο του εσωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου, στο οποίο, υπό τη δράση του φωτός, εμφανίζονται πρόσθετα (μη ισορροπίας) ηλεκτρόνια και οπές στον ημιαγωγό, δημιουργώντας φωτορεύμα ή φωτοτάση.

1. Η αρχή λειτουργίας των φωτοδιόδων με διασταύρωση p-n.Στις φωτοδίοδοι, το φωτοευαίσθητο στοιχείο είναι η μεταβατική περιοχή - p-n-junction, που βρίσκεται μεταξύ των περιοχών με ηλεκτρονική αγωγιμότητα και αγωγιμότητα οπών (Εικ. 1).

Σχηματισμός σύνδεσης p-n.Ένας ημιαγωγός τύπου n περιέχει μια ορισμένη ποσότητα ατόμων ακαθαρσιών τύπου δότη, τα οποία σχεδόν όλα ιονίζονται σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι, σε έναν τέτοιο ημιαγωγό υπάρχουν n o ελεύθερα ηλεκτρόνια και ο ίδιος αριθμός ακίνητων θετικά φορτισμένων ιόντων της ακαθαρσίας του δότη.

Παρόμοια κατάσταση συμβαίνει σε έναν ημιαγωγό οπών (ημιαγωγός τύπου p). Έχει p περίπου ελεύθερες οπές και τον ίδιο αριθμό αρνητικά φορτισμένων ιόντων ατόμων δέκτη. Η αρχή σχηματισμού μιας σύνδεσης p-n φαίνεται στο σχ. 1.

Όταν οι περιοχές p και n έρχονται σε επαφή σε αυτές, λόγω της παρουσίας κλίσης συγκέντρωσης ηλεκτρονίων και οπών, προκύπτει μια ροή διάχυσης ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό τύπου n στον ημιαγωγό τύπου p και, αντιστρόφως, ροή οπών από τον p-ημιαγωγό στον n-ημιαγωγό. Τα ηλεκτρόνια που έχουν περάσει από την περιοχή n στην περιοχή p ανασυνδυάζονται με οπές κοντά στη διεπιφάνεια. Οι οπές ανασυνδυάζονται με παρόμοιο τρόπο, μετακινώντας από την περιοχή p στην περιοχή n. Ως αποτέλεσμα, δεν υπάρχουν πρακτικά δωρεάν φορείς φόρτισης (ηλεκτρόνια και οπές) κοντά στη διασταύρωση p-n.

Έτσι, και στις δύο πλευρές της σύνδεσης p-n, σχηματίζεται ένα διπλό φορτισμένο στρώμα που σχηματίζεται από ακίνητα ιόντα ακαθαρσίας (άλλα ονόματα - ένα στρώμα εξάντλησης ή μια περιοχή φορτίου χώρου (SCR), ένα στρώμα αποκλεισμού), το οποίο δημιουργεί ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλεκτρικό πεδίο του στρώματος αποκλεισμού κατευθύνεται από την περιοχή n στην περιοχή p και εξουδετερώνει τη διαδικασία διάχυσης των κύριων φορέων φορτίου από τις περιοχές που είναι απομακρυσμένες από τη διασταύρωση p-n στην εξαντλημένη περιοχή. Μια τέτοια κατάσταση είναι η ισορροπία και, ελλείψει εξωτερικών διαταραχών, μπορεί να υπάρχει για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα.

Ρύζι. 1 – Σχηματισμός p-n-junction Εικ. 2

Πώς λειτουργεί μια φωτοδίοδος.Η οπτική ακτινοβολία (φως) που απορροφάται σε μια δομή ημιαγωγών με διασταύρωση p-n δημιουργεί ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, υπό την προϋπόθεση ότι η ενέργεια του φωτονίου hν υπερβαίνει το διάκενο ζώνης του ημιαγωγού Π.χ.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές προκύπτουν τόσο στις περιοχές p- και n-σύνδεσης όσο και σε άμεση γειτνίαση με το στρώμα αποκλεισμού. Το ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει στο στρώμα μπλοκαρίσματος (το πεδίο της διασταύρωσης p-n) διαχωρίζει τους φορείς ελεύθερου φορτίου που δημιουργούνται από το φως, ανάλογα με το πρόσημο τους, σε διαφορετικά μέρη της φωτοδιόδου: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται στην περιοχή n της διασταύρωσης και Οι οπές μετακινούνται στην περιοχή p, γεγονός που οδηγεί στη φόρτιση αυτών των περιοχών (Εικ. 2).

Όταν φωτίζεται, οι τρύπες συσσωρεύονται στην περιοχή p, φορτίζοντας τη θετικά. Τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται στην n-περιοχή, φορτίζοντας την αρνητικά. Επομένως, υπάρχει μια πιθανή διαφορά μεταξύ τους.

Σε αυτή την περίπτωση, είναι δυνατοί δύο τρόποι λειτουργίας της συσκευής: σε κυκλώματα με εξωτερική πηγή τροφοδοσίας και χωρίς αυτήν. Ο τρόπος λειτουργίας μιας φωτοδιόδου με εξωτερική πηγή ενέργειας ονομάζεται φωτοδίοδος και χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας ονομάζεται τρόπος παραγωγής φωτοτάσης (άλλο όνομα είναι φωτοβολταϊκός τρόπος).

Λειτουργία γενιάς.Σε αυτή την περίπτωση, δεν εφαρμόζεται εξωτερική τάση στη διασταύρωση και το κύκλωμα είναι ανοιχτό. Ο φωτισμός οδηγεί στη συσσώρευση φωτοηλεκτρονίων στην περιοχή n και οπών στην περιοχή p. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται μια διαφορά δυναμικού U f (συχνά ονομάζεται "τάση

Ρύζι. 3 Εικ.4 - Χαρακτηριστικά Volt-ampere της φωτοδιόδου

σε διαφορετικές ροές φωτός (Φ 1< Ф 2 < Ф 3).

ρελαντί U xx "), δηλαδή εμφανίζεται ένα photo-emf. Η συσσώρευση περίσσειας ηλεκτρονίων και οπών δεν είναι απεριόριστη. Ταυτόχρονα με την αύξηση της συγκέντρωσης των οπών στην περιοχή της οπής και των ηλεκτρονίων στην ηλεκτρονική περιοχή, το φράγμα δυναμικού της μετάβασης μειώνεται κατά την τιμή της φωτοτάσης και εμφανίζεται η διάχυση των πλείστων φορέων φορτίου μέσω της διασταύρωσης p-n. Υπάρχει μια δυναμική ισορροπία.

Όταν συνδεθεί στους εξωτερικούς ακροδέκτες της φωτοδίοδος φορτίου R n, θα εμφανιστεί ένα ρεύμα στο κύκλωμά της (Εικ. 3). Στο εξωτερικό κύκλωμα, το φωτορεύμα κατευθύνεται από την περιοχή p στην περιοχή n. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, η φωτοδίοδος λειτουργεί ως μετατροπέας της ενέργειας ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Χαρακτηριστικό Volt-ampere της φωτιζόμενης διασταύρωσης p-n.Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της διασταύρωσης pn υπό φωτισμό μπορεί να γραφτεί με την ακόλουθη μορφή:

, (1)

όπου I n - ρεύμα κορεσμού στο σκοτάδι. I f - φωτορεύμα, δηλαδή το ρεύμα που δημιουργείται από φορείς φορτίου που διεγείρονται από το φως και διέρχονται από τη διασταύρωση pn. U είναι η εξωτερική τάση στη διασταύρωση.

Στο σχ. Το Σχήμα 4 δείχνει γραφήματα των εξαρτήσεων ρεύματος-τάσης για διάφορες ροές φωτός F. Ελλείψει φωτισμού (I f = 0), το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (σκοτεινό) διέρχεται από την αρχή. Οι υπόλοιπες καμπύλες που αντιστοιχούν σε ορισμένες ροές φωτός μετατοπίζονται κατά μήκος του άξονα τεταγμένων (άξονας ρεύματος) σε τμήματα ίσα με την ισχύ του φωτορεύματος - I f. Μπορεί να φανεί από την έκφραση (1) ότι με την αντίστροφη συμπερίληψη (U< 0) и при

(qU >> kT) ρεύμα μέσω της μετάβασης I \u003d - (I n + I f).

Τμήματα των καμπυλών που βρίσκονται στο τρίτο τεταρτημόριο αντιστοιχούν στον τρόπο λειτουργίας της φωτοδιόδου): τμήματα των καμπυλών που βρίσκονται στο τέταρτο τεταρτημόριο αντιστοιχούν στον τρόπο παραγωγής φωτοτάσης.

Εάν στο εξωτερικό κύκλωμα η ισχύς ρεύματος I \u003d 0 (το κύκλωμα είναι ανοιχτό), τότε από την έκφραση (1) μπορείτε να βρείτε την τάση ανοιχτού κυκλώματος U f.

(2)

Εάν η φωτοδίοδος στη λειτουργία παραγωγής είναι συνδεδεμένη σε ένα εξωτερικό κύκλωμα με χαμηλή αντίσταση, τότε τα φωτοηλεκτρόνια στην περιοχή n δεν συσσωρεύονται και U f = 0. Και επειδή δεν υπάρχει εξωτερική τάση, το ρεύμα I = - I f ρέει μέσα το κύκλωμα, που συχνά ονομάζεται ρεύμα βραχυκυκλώματος και ευθέως ανάλογο με τη φωτεινή ροή I f ~ F.

Ρύζι. 5 - Δομικό διάγραμμα της φωτοδιόδου και του κυκλώματος

ενεργοποίησή του όταν εργάζεστε σε λειτουργία φωτοδιόδου: Εικ.6

1 - κρύσταλλο ημιαγωγών. 2 - επαφές.

3 - συμπεράσματα. Ф - ηλεκτρομαγνητική ροή

ακτινοβολία; Τα n και p είναι περιοχές ημιαγωγών.

E - πηγή συνεχούς ρεύματος. R n - φορτίο.

λειτουργία φωτοδιόδου.Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στη διασταύρωση p-n

(η περιοχή p συνδέεται στο μείον της πηγής τάσης και η περιοχή n στο συν της πηγής· Εικ. 5). Το κύκλωμα περιλαμβάνει επίσης μια αντίσταση φορτίου (αντίσταση) R n. Σε αυτή την περίπτωση, η μετάβαση έχει μια τεράστια αντίσταση και ένα ασθενές αντίστροφο ρεύμα ρέει μέσα από αυτό (ρεύμα κορεσμού στο σκοτάδι I n). Όταν η φωτοδίοδος φωτίζεται, το ρεύμα μέσω αυτής αυξάνεται απότομα λόγω της εμφάνισης φωτορεύματος και μπορεί να υπερβεί σημαντικά το σκοτεινό ρεύμα I n (Εικ. 4). Αντίστοιχα, η πτώση τάσης στην αντίσταση φορτίου Rn αλλάζει επίσης. Με τη σωστή επιλογή πηγής τάσης και εξωτερικής αντίστασης R n, το μέγεθος του ηλεκτρικού σήματος (τάση στην αντίσταση) μπορεί να είναι μεγάλο και επομένως οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως για την εγγραφή και τη μέτρηση φωτεινών σημάτων.

Το ρεύμα μέσω της φωτοδιόδου καθορίζεται κυρίως από τις ροές των δευτερευόντων φορέων φορτίου μη ισορροπίας (ηλεκτρόνια στην περιοχή p και οπές στην περιοχή n) που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του φωτισμού και δεν εξαρτάται από την τάση, δηλαδή έχει τον χαρακτήρα ενός ρεύματος κορεσμού. Επομένως, στη λειτουργία φωτοδιόδων, παρατηρείται αυστηρή γραμμική εξάρτηση του φωτορεύματος από τον φωτισμό μέχρι πολύ υψηλές τιμές φωτισμού. Αυτό είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα των φωτοδιόδων.

Για την καταχώρηση μεταβλητών οπτικών σημάτων (ροές φωτός), το σχήμα που φαίνεται στην εικ. 6. Η μεταβαλλόμενη φωτεινή ροή που προσπίπτει στη φωτοδίοδο προκαλεί μια συνιστώσα εναλλασσόμενου ρεύματος στο κύκλωμα, η οποία επαναλαμβάνει τις αλλαγές στην ένταση του φωτός. Και στην αντίσταση R n συμβαίνουν οι ίδιες αλλαγές τάσης, η οποία τροφοδοτείται στην είσοδο του συστήματος εγγραφής. Για να διαχωριστεί (όχι να παρακάμψουμε) τη σταθερή συνιστώσα της τάσης κατά μήκος της αντίστασης, ένας διαχωριστικός πυκνωτής C βρίσκεται στο κύκλωμα σήματος.

2. Τεχνολογία και σχεδιασμός κατασκευής.Για την κατασκευή κόμβων pn στην παραγωγή φωτοδιόδων χρησιμοποιείται η μέθοδος σύντηξης ακαθαρσιών και διάχυσης. Σε αυτή την περίπτωση, η κύρια προσοχή δίνεται στο βάθος της διασταύρωσης p-n σε σχέση με

Εικ.7 - Κατασκευή γερανιού Εικ.8 - Φασματικά χαρακτηριστικά

φωτοδίοδος FD-1. φωτοδίοδοι γερμανίου (1) και πυριτίου (2).

φωτιζόμενη κρυσταλλική επιφάνεια, αφού καθορίζει την αδράνεια (ταχύτητα) της φωτοδιόδου. Το σχήμα 7 δείχνει τη σχεδίαση της φωτοδιόδου γερμανίου FD-1 σε μεταλλική θήκη. Η στρογγυλή πλάκα 1, κομμένη από έναν μόνο κρύσταλλο γερμανίου με ηλεκτρική αγωγιμότητα τύπου n, στερεώνεται με τη βοήθεια μιας θήκης κρυστάλλου 2 σε μια θήκη 3. Το συμπέρασμα 4 από ένα ηλεκτρόδιο ινδίου συντηγμένο σε γερμάνιο διέρχεται μέσω ενός σωλήνα kovar 5 στερεωμένο με ένα γυάλινο μονωτικό 6 στο πόδι της θήκης 7. Ένα άλλο ηλεκτρόδιο είναι η ίδια η θήκη της φωτοδιόδου, αφού ο κρύσταλλος γερμανίου είναι συγκολλημένος στη θήκη κρυστάλλου με ένα δακτύλιο κασσίτερου 8. Η θήκη της φωτοδιόδου έχει μια στρογγυλή οπή που κλείνει με ένα γυαλί φακός 9, ο οποίος συλλέγει τη ροή φωτός στην περιορισμένη επιφάνεια της πλάκας γερμανίου. Για την προστασία της διασταύρωσης p-n από τις περιβαλλοντικές επιρροές, το σώμα της φωτοδιόδου σφραγίζεται.

Ορισμένοι τύποι φωτοδιόδων έχουν πλαστικό περίβλημα. Το υλικό ενός τέτοιου περιβλήματος και ενός παραθύρου σε μεταλλικό περίβλημα επιλέγεται έτσι ώστε να είναι διαφανή για εκείνο το τμήμα του φάσματος (ακτινοβολία) στο οποίο αυτή η φωτοδίοδος πρέπει να είναι ευαίσθητη. Έτσι, για συσκευές γερμανίου, αυτό είναι ορατό φως και υπέρυθρη ακτινοβολία βραχέων κυμάτων.

Υλικά, από τις οποίες κατασκευάζονται οι φωτοδίοδοι, είναι οι Ge, Si, GaAs, HgCdTe και άλλες ενώσεις ημιαγωγών.

Κύρια χαρακτηριστικά και παράμετροι φωτοδιόδων

- Ευαισθησία S -παράμετρος που αντανακλά τη μεταβολή του ηλεκτρικού σήματος (ρεύμα ή τάση) στην έξοδο της φωτοδιόδου όταν αυτή είναι φωτισμένη.

Μετριέται ποσοτικά από τον λόγο της μεταβολής του ηλεκτρικού χαρακτηριστικού (ισχύς ρεύματος I f ή τάση U f), που λαμβάνεται στην έξοδο της φωτοδιόδου, προς τη ροή ακτινοβολίας Ф που προσπίπτει στη συσκευή.

S I \u003d I f / F- τρέχουσα ευαισθησία, S v \u003d U f / F- ευαισθησία τάσης.

- Όριο ευαισθησίας F σελ- την τιμή της ελάχιστης φωτεινής ροής που καταγράφεται από τη φωτοδίοδο, που αναφέρεται στη μονάδα της ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας.

- Χρονική σταθερά τ,που χαρακτηρίζει την αδράνεια της συσκευής, δηλαδή την ταχύτητά της.

Αυτός είναι ο χρόνος κατά τον οποίο το φωτορεύμα της φωτοδιόδου αλλάζει μετά το φωτισμό ή μετά το σκοτάδι της φωτοδιόδου κατά e φορές σε σχέση με τη σταθερή τιμή.

Για φωτοδίοδοι με p-n-junction, είναι 10 -6 - 10 -8 s.

- Σκοτεινή αντίσταση R Tείναι η αντίσταση της φωτοδιόδου απουσία φωτισμού.

- Φασματικό χαρακτηριστικόείναι η εξάρτηση του φωτορεύματος από το μήκος κύματος λ του φωτός που προσπίπτει στη φωτοδίοδο. Για τις φωτοδίοδοι γερμανίου και πυριτίου, τα φασματικά χαρακτηριστικά φαίνονται στο Σχ. 8. Το μήκος κύματος, το οποίο αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ευαισθησία, για τις φωτοδίοδοι πυριτίου είναι περίπου ίσο με λmax = 800 - 900 nm, για φωτοδίοδοι γερμανίου είναι στα λmax = 1500 - 1600 nm.

- Χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ- την εξάρτηση του ρεύματος φωτός από την τάση σε σταθερή ροή φωτός.

- Χαρακτηριστικό φωτός -εξάρτηση του φωτορεύματος από τον φωτισμό.

Ορισμένες άλλες παράμετροι φαίνονται στον πίνακα.

Η συμβατική γραφική ονομασία των φωτοδιόδων φαίνεται στο Σχ. 9, οι φωτογραφίες ορισμένων φωτοδιόδων φαίνονται στο Σχ. 10.

Ρύζι. 9 Εικ.10

4. Εφαρμογή φωτοδιόδων.Οι σύγχρονες φωτοδίοδοι έχουν τον καλύτερο συνδυασμό των κύριων παραμέτρων:

1. Υψηλή ευαισθησία στα οπτικά σήματα.

2. Υψηλή απόδοση.

3. Χαμηλή τάση λειτουργίας.

4. Γραμμική εξάρτηση φωτορεύματος από φωτισμό σε μεγάλο εύρος φωτισμού.

5. Χαμηλό θόρυβο.

6. Απλότητα της συσκευής.

Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές αυτοματισμού, υπολογιστές και τεχνολογία λέιζερ, γραμμές επικοινωνίας οπτικών ινών.

Στην καθημερινή ζωή, οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται σε συσκευές όπως μονάδες CD-ROM, σύγχρονες κάμερες και διάφορες συσκευές αφής.

Για παράδειγμα, οι υπέρυθρες φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται σε τηλεχειριστήρια, συστήματα ασφάλειας, ασφάλειας και αυτοματισμού.

Υπάρχουν φωτοδίοδοι ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ιονίζουσας ακτινοβολίας και σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Μια σημαντική εφαρμογή είναι σε ιατρικές συσκευές, όπως αξονικοί τομογράφοι.

Ολοκλήρωση της εργασίας

Ασκηση 1.Μέτρηση του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης μιας φωτοδιόδου απουσία φωτισμού (στο σκοτάδι).

Όταν τα κβάντα φωτός απορροφώνται στη διασταύρωση p-n ή σε περιοχές που γειτνιάζουν με αυτήν, δημιουργούνται νέοι φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές), οι οποίοι περνώντας μέσα από αυτό προκαλούν την εμφάνιση τάσης στους ακροδέκτες της φωτοδιόδου ή τη ροή ρεύματος σε κλειστό χώρο. κύκλωμα. Η ποσότητα κατά την οποία αυξάνεται το αντίστροφο ρεύμα που διαρρέει τη διασταύρωση ονομάζεται φωτορεύμα.

Μια φωτοδίοδος, ανάλογα με το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται, χρησιμοποιείται για την καταγραφή της φωτεινής ροής στην οπτική περιοχή υπερύθρων και υπεριώδους. Αυτά τα ραδιοεξαρτήματα συνήθως κατασκευάζονται από γερμάνιο, πυρίτιο, αρσενίδιο του γαλλίου, ίνδιο και τα παρόμοια.

Η λειτουργία Photodiode χρησιμοποιεί ένα εξωτερικό τροφοδοτικό για την αντιστροφή της πόλωσης της συσκευής ημιαγωγών. Σε αυτή την περίπτωση, διέρχεται αντίστροφο ρεύμα, ανάλογο με τη ροή φωτός που προσπίπτει σε αυτό. Στο εύρος της τάσης λειτουργίας (δηλαδή, πριν συμβεί βλάβη), αυτό το ρεύμα είναι πρακτικά ανεξάρτητο από την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση.

Στη λειτουργία φωτοβολταϊκού, η φωτοδίοδος λειτουργεί ως αισθητήρας ή ως μπαταρία χαμηλού ρεύματος, αφού υπό την επίδραση της φωτεινής ροής δημιουργείται τάση στους ακροδέκτες του φωτοκυττάρου, ανάλογα με τη ροή ακτινοβολίας και το φορτίο.

Για να κατανοήσετε καλύτερα τους τρόπους λειτουργίας αυτού του εξαρτήματος, εξετάστε το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης του.

Ελλείψει εκπομπής φωτός, το γράφημα είναι ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού I–V μιας τυπικής διόδου. Υπάρχει ένα μικρό ρεύμα επιστροφής που ονομάζεται αντίστροφο πολωμένο σκοτεινό ρεύμα.

Παρουσία ακτινοβολίας, η αντίσταση της φωτοδιόδου μειώνεται και το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται. Όσο περισσότερη ροή φωτός πέφτει στο φωτοκύτταρο, τόσο περισσότερο αντίστροφο ρεύμα διαρρέει τη φωτοδίοδο. Η εξάρτηση σε αυτή τη λειτουργία είναι γραμμική. Όπως μπορούμε να δούμε από το CVC, το αντίστροφο ρεύμα της φωτοδιόδου είναι πρακτικά ανεξάρτητο από την αντίστροφη τάση.

Ο φωτοβολταϊκός τρόπος λειτουργίας αντιστοιχεί στην εργασία στο τέταρτο τέταρτο του γραφήματος. Και εδώ μπορούμε να διακρίνουμε δύο περιοριστικές επιλογές: ρελαντί και βραχυκύκλωμα.

Η λειτουργία κοντά στο ρελαντί χρησιμοποιείται για τη λήψη ενέργειας από τη φωτοδίοδο, αν και η απόδοσή της είναι χαμηλή. Αλλά αν συνδέσετε πολλά τέτοια εξαρτήματα σε σειρά και παράλληλα, τότε μια τέτοια μπαταρία που προκύπτει μπορεί να τροφοδοτήσει ένα κύκλωμα χαμηλής κατανάλωσης.

Στη λειτουργία βραχυκυκλώματος, η τάση στο φωτοκύτταρο τείνει στο μηδέν και το αντίστροφο ρεύμα είναι ευθέως ανάλογο με τη φωτεινή ροή. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αισθητήρων φωτογραφίας.

Χαρακτηριστικά φωτοδιόδου

Εκτός από το CVC που συζητήθηκε παραπάνω, υπάρχει ένας αριθμός βασικών παραμέτρων του φωτοκυττάρου.

Χαρακτηριστικό φωτοδιόδου, την εξάρτηση του φωτορεύματος από τον φωτισμό, η οποία είναι ευθέως ανάλογη με το φωτορεύμα που δημιουργείται από τον φωτισμό. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το πάχος της βάσης της φωτοδιόδου είναι πολύ μικρότερο από το μήκος διάχυσης των μειοψηφικών φορέων φορτίου. Δηλαδή, σχεδόν όλοι οι φορείς φορτίου μειοψηφίας που εμφανίστηκαν στη βάση συμμετέχουν στο σχηματισμό φωτορεύματος.

Φασματικό χαρακτηριστικόΗ φωτοδίοδος είναι η εξάρτηση του φωτορεύματος από το μήκος κύματος της φωτεινής ροής που ενεργεί στο φωτοκύτταρο.

χρονική σταθερά- κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το φωτορεύμα του φωτοκυττάρου αλλάζει μετά το φωτισμό ή μετά το σκοτάδι της φωτοδιόδου σε σχέση με τη σταθερή τιμή.

σκοτεινή αντίσταση- αντίσταση του στοιχείου του ραδιοφώνου απουσία φωτισμού.

Μια φωτοδίοδος είναι μια δίοδος ημιαγωγών της οποίας το ρεύμα εξαρτάται από τον φωτισμό. Συνήθως, αυτό το ρεύμα σημαίνει το αντίστροφο ρεύμα της φωτοδιόδου, επειδή η εξάρτησή της από τον φωτισμό εκφράζεται με τάξεις μεγέθους ισχυρότερο από το συνεχές ρεύμα. Στο μέλλον, θα μιλήσουμε για το αντίστροφο ρεύμα.

Γενικά, μια φωτοδίοδος είναι μια διασταύρωση p-n ανοιχτή στην ακτινοβολία φωτός. Υπό την επίδραση του φωτός, δημιουργούνται φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) στην περιοχή της διασταύρωσης p-n, οι οποίοι διέρχονται από αυτήν και προκαλούν τάση στους ακροδέκτες της φωτοδιόδου ή ροή ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα.

Η φωτοδίοδος, ανάλογα με το υλικό της, έχει σχεδιαστεί για να καταγράφει τη ροή φωτός στο υπέρυθρο, το οπτικό και το υπεριώδες μήκη κύματος. Οι φωτοδίοδοι κατασκευάζονται από πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενίδιο του γαλλίου, αρσενίδιο του γαλλίου και άλλα υλικά.

Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα ελέγχου, μετρολογία, ρομποτική και άλλους τομείς. Χρησιμοποιούνται επίσης ως μέρος άλλων εξαρτημάτων, για παράδειγμα, οπτικοί συζεύκτες, οπτικοί ηλεκτρονόμοι. Όσον αφορά τους μικροελεγκτές, οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ως διάφοροι αισθητήρες - αισθητήρες άκρου, αισθητήρες φωτός, αισθητήρες απόστασης, αισθητήρες παλμών κ.λπ.

Ονομασία στα διαγράμματα

Στα ηλεκτρικά διαγράμματα, μια φωτοδίοδος αναφέρεται ως δίοδος, με δύο βέλη να δείχνουν προς αυτήν. Τα βέλη συμβολίζουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία στη φωτοδίοδο. Μην συγχέετε με τον χαρακτηρισμό του LED, στο οποίο τα βέλη κατευθύνονται μακριά από αυτό.

Ο χαρακτηρισμός γράμματος της φωτοδιόδου μπορεί να είναι VD ή BL (φωτοκύτταρο).

Τρόποι λειτουργίας φωτοδιόδου

Η φωτοδίοδος λειτουργεί με δύο τρόπους: φωτοδίοδος και φωτοβολταϊκό (φωτοβολταϊκό, γεννήτρια).

Η λειτουργία φωτοδίοδος χρησιμοποιεί τροφοδοτικό που αντιστρέφει τη φωτοδίοδο. Σε αυτή την περίπτωση, ένα αντίστροφο ρεύμα ρέει μέσω της φωτοδίοδος, ανάλογο με τη ροή φωτός που προσπίπτει σε αυτήν. Στο εύρος της τάσης λειτουργίας (δηλαδή, πριν συμβεί βλάβη), αυτό το ρεύμα είναι πρακτικά ανεξάρτητο από την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση.

Στη λειτουργία φωτοβολταϊκού, η φωτοδίοδος λειτουργεί χωρίς εξωτερική παροχή ρεύματος. Σε αυτή τη λειτουργία, μπορεί να λειτουργήσει ως αισθητήρες ή ως μπαταρία (ηλιακή μπαταρία), αφού υπό την επίδραση του φωτός εμφανίζεται μια τάση στις εξόδους της φωτοδιόδου, η οποία εξαρτάται από τη ροή ακτινοβολίας και το φορτίο.

Χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ

Για να κατανοήσετε καλύτερα τους τρόπους λειτουργίας της φωτοδιόδου, πρέπει να λάβετε υπόψη το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της.

Το γράφημα αποτελείται από 4 περιοχές, τα λεγόμενα τεταρτημόρια. Η λειτουργία φωτοδιόδου αντιστοιχεί σε λειτουργία στο 3ο τεταρτημόριο.

Ελλείψει ακτινοβολίας, το γράφημα είναι ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης μιας συμβατικής διόδου ημιαγωγών. Υπάρχει ένα μικρό αντίστροφο ρεύμα, το οποίο ονομάζεται θερμικό (σκοτεινό) ρεύμα της ανάστροφης πόλωσης σύνδεσης p-n.

Με την παρουσία φωτεινής ροής, η αντίσταση της φωτοδιόδου μειώνεται και το αντίστροφο ρεύμα της φωτοδιόδου αυξάνεται. Όσο περισσότερο φως πέφτει, τόσο περισσότερο αντίστροφο ρεύμα διαρρέει τη φωτοδίοδο. Η εξάρτηση του αντίστροφου ρεύματος της φωτοδιόδου από τη ροή φωτός σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι γραμμική.

Μπορεί να φανεί από το γράφημα ότι το αντίστροφο ρεύμα της φωτοδιόδου εξαρτάται ασθενώς από την αντίστροφη τάση. Κοιτάξτε την κλίση του γραφήματος από μηδενική τάση σε τάση διάσπασης, είναι μικρή.

Ο φωτοβολταϊκός τρόπος λειτουργίας αντιστοιχεί στη λειτουργία της φωτοδιόδου στο 4ο τεταρτημόριο.Υπάρχουν δύο ακραίες περιπτώσεις εδώ:

σε αδράνεια (xx),
- βραχυκύκλωμα (βραχυκύκλωμα).

Η λειτουργία κοντά στην αδράνεια χρησιμοποιείται για την απόκτηση ισχύος από τη φωτοδίοδο. Δηλαδή για χρήση φωτοδιόδου ως ηλιακή μπαταρία. Φυσικά, μια φωτοδίοδος θα είναι ελάχιστη χρήση και η απόδοσή της είναι χαμηλή. Αλλά αν συνδέσετε πολλά στοιχεία, τότε μια τέτοια μπαταρία μπορεί να τροφοδοτήσει κάποια συσκευή χαμηλής κατανάλωσης.

Στη λειτουργία βραχυκυκλώματος, η τάση της φωτοδιόδου είναι κοντά στο μηδέν και το αντίστροφο ρεύμα είναι ευθέως ανάλογο με την έξοδο φωτός. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία φωτοαισθητήρων.

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των τρόπων λειτουργίας της φωτοδιόδου και των φωτοβολταϊκών; Η λειτουργία Photodiode παρέχει ταχύτερη απόδοση της φωτοδιόδου, αλλά υπάρχει πάντα σκοτεινό ρεύμα σε αυτήν τη λειτουργία. Στη λειτουργία φωτοβολταϊκών, δεν υπάρχει σκοτεινό ρεύμα, αλλά η ταχύτητα των αισθητήρων θα είναι πιο αργή.