Fotodioda: të detajuara në gjuhë të thjeshtë. Karakteristikat dhe parametrat kryesore të fotodiodave Fotodioda si burim energjie

Qëllimi: fotodiodë- një marrës i rrezatimit optik, i cili shndërron dritën që ka rënë në zonën e saj fotosensitive në një ngarkesë elektrike.

Parimi i funksionimit: Fotodioda më e thjeshtëështë një diodë gjysmëpërçuese konvencionale, e cila ofron mundësinë e ekspozimit ndaj rrezatimit optik në kryqëzimin p–n. Kur ekspozohen ndaj rrezatimit në një drejtim pingul me rrafshin e kryqëzimit p-n, si rezultat i përthithjes së fotoneve me energji më të madhe se hendeku i brezit, çiftet elektron-vrima shfaqen në rajonin n. Këto elektrone dhe vrima quhen fotobartës. Kur fotobartësit shpërndahen thellë në rajonin n, pjesa kryesore e elektroneve dhe vrimave nuk ka kohë të rikombinohet dhe arrin kufirin e kryqëzimit p–n. Këtu, fotobartësit ndahen nga fusha elektrike e kryqëzimit p-n, dhe vrimat kalojnë në rajonin p, ndërsa elektronet nuk mund të kapërcejnë fushën e tranzicionit dhe grumbullohen në ndërfaqen midis kryqëzimit p-n dhe rajonit n. Kështu, rryma përmes kryqëzimit p-n është për shkak të lëvizjes së bartësve të pakicës - vrimave. Rryma e zhvendosjes së fotobartësve quhet fotorrymë.

Fotodiodat mund të funksionojnë në një nga dy mënyrat - pa një burim të jashtëm të energjisë elektrike (modaliteti i fotogjeneratorit) ose me një burim të jashtëm të energjisë elektrike (modaliteti i fotokonvertuesit).

Pajisja: diagrami strukturor i një fotodiode. 1 - kristal gjysmëpërçues; 2 - kontakte; 3 - përfundime; Ф - fluksi i rrezatimit elektromagnetik; E - burimi i rrymës direkte; Rn - ngarkesë.

Opsione: ndjeshmëria (pasqyron ndryshimin në gjendjen elektrike në daljen e fotodiodës kur një sinjal i vetëm optik aplikohet në hyrje.); zhurma (përveç sinjalit të dobishëm, në daljen e fotodiodës shfaqet një sinjal kaotik me një amplitudë të rastësishme dhe spektrit- zhurma e fotodiodës)

Karakteristikat: a) karakteristikë rrymë-tension fotodioda është varësia e tensionit të daljes nga rryma hyrëse. b) karakteristikë e dritës varësia e fotorrymës nga ndriçimi korrespondon me proporcionalitetin e drejtpërdrejtë të fotorrymës nga ndriçimi. c) karakteristikë spektrale e fotodiodësështë varësia e fotorrymës nga gjatësia valore e dritës rënëse në fotodiodë.

Aplikacion: a) qarqet e integruara optoelektronike.

b) fotodetektorë me shumë elementë.c) optoçiftuesit.

9. LED. Qëllimi, pajisja, parimi i funksionimit, parametrat dhe karakteristikat themelore.

Qëllimi: LED Një pajisje gjysmëpërçuese që lëshon dritë kur rryma kalon nëpër të në drejtimin përpara.

Parimi i funksionimit: Puna bazohet në dukurinë fizike të shfaqjes së rrezatimit të dritës gjatë kalimit të rrymës elektrike nëpër kryqëzimin p-n. Ngjyra e shkëlqimit (gjatësia e valës së maksimumit të spektrit të emetimit) përcaktohet nga lloji i materialeve gjysmëpërçuese të përdorura që formojnë kryqëzimin p-n.

LED është një pajisje që lëshon gjysmëpërçues me një ose më shumë nyje n-p, e cila konverton energjinë elektrike në energjinë e rrezatimit jokoherent të dritës. Rrezatimi ndodh si rezultat i rikombinimit të transportuesve të injektuar në një nga rajonet ngjitur me kryqëzimin n-p. Rikombinimi ndodh kur transportuesit lëvizin nga nivelet e sipërme në ato më të ulëta.

Karakteristikat dhe parametrat: parametri kryesor i LED-ve është efikasiteti i brendshëm kuantik (raporti i numrit të fotoneve me numrin e transportuesve të injektuar në bazë) dhe efikasiteti i jashtëm (raporti i fluksit të fotonit nga LED në fluksin e bartësit të ngarkesës. në të). Efikasiteti i jashtëm përcaktohet kryesisht nga teknologjia dhe me rritjen e nivelit të saj mund të rritet ndjeshëm.

Karakteristikat kryesore të LED-ve janë tensioni aktual, ndriçimi dhe spektri. Parametrat kryesorë të diodave që lëshojnë dritë janë gjatësia e valës, gjysma e gjerësisë së spektrit të emetimit, fuqia e emetimit, frekuenca e funksionimit dhe modeli i rrezatimit.

LED-et përdoren gjerësisht në treguesit dixhitalë, ekranet e dritës dhe pajisjet optoelektronike. Në parim, është e mundur të formohet një ekran televiziv me ngjyra në bazë të tyre.

Një vend të veçantë në inxhinierinë elektrike zënë fotodiodat, të cilat përdoren në pajisje dhe pajisje të ndryshme. Një fotodiodë është një element gjysmëpërçues që është i ngjashëm në vetitë e tij me një diodë të thjeshtë. Rryma e saj e kundërt varet drejtpërdrejt nga intensiteti i fluksit të dritës që bie mbi të. Më shpesh, elementët gjysmëpërçues me një kryqëzim p-n përdoren si një fotodiodë.

Pajisja dhe parimi i funksionimit

Fotodioda është pjesë e shumë pajisjeve elektronike. Kjo është arsyeja pse ajo ka fituar popullaritet të gjerë. Një LED i zakonshëm është një diodë me një kryqëzim p-n, përçueshmëria e së cilës varet nga drita që bie mbi të. Në errësirë, fotodioda ka karakteristikat e një diode konvencionale.

1 - kryqëzim gjysmëpërçues.
2 - pol pozitiv.
3 - shtresa fotosensitive.
4 - pol negativ.

Nën veprimin e një fluksi drite në rrafshin e tranzicionit, fotonet absorbohen me një energji që tejkalon vlerën kufizuese; prandaj, çiftet e transportuesve të ngarkesës - fotobartësit - formohen në rajonin n.

Kur përzieni fotobartës në thellësinë e rajonit "n", pjesa kryesore e bartësve nuk ka kohë të rikombinohet dhe kalon në kufirin p-n. Në tranzicion, fotobartësit ndahen nga një fushë elektrike. Në këtë rast, vrimat kalojnë në rajonin "p", dhe elektronet nuk janë në gjendje të kalojnë tranzicionin, prandaj ato grumbullohen pranë kufirit të tranzicionit p-n, si dhe rajonit "n".

Rryma e kundërt e diodës rritet kur ekspozohet ndaj dritës. Vlera me të cilën rritet rryma e kundërt quhet fotorrymë.

Fotobartësit në formën e vrimave kryejnë një ngarkesë pozitive të rajonit "p" në lidhje me rajonin "n". Nga ana tjetër, elektronet prodhojnë një ngarkesë negative në rajonin "n" në lidhje me rajonin "p". Diferenca potenciale që rezulton quhet forca fotoelektromotore dhe shënohet me "E f". Rryma elektrike që ndodh në fotodiodë është e kundërt dhe drejtohet nga katoda në anodë. Për më tepër, vlera e tij varet nga sasia e ndriçimit.

Mënyrat e funksionimit

Fotodiodat janë të afta të funksionojnë në mënyrat e mëposhtme:

• Modaliteti i fotogjeneratorit. Nuk ka lidhje elektrike.
• Modaliteti i fotokonvertuesit. Me lidhje të jashtme të furnizimit me energji elektrike.

Në punë fotogjenerator Fotodiodat përdoren në vend të një burimi energjie që konverton dritën e diellit në energji elektrike. Gjeneratorë të tillë fotografikë quhen qeliza diellore. Ato janë pjesët kryesore të paneleve diellore që përdoren në pajisje të ndryshme, përfshirë ato në anije kozmike.

Efikasiteti i qelizave diellore me bazë silikoni është 20%, për qelizat e filmit ky parametër është shumë më i lartë. Një veti e rëndësishme e qelizave diellore është varësia e fuqisë dalëse nga pesha dhe sipërfaqja e shtresës së ndjeshme. Këto prona arrijnë vlerat 200 W/kg dhe 1 kW/m 2.

Kur fotodioda funksionon si fotokonverter , burimi i tensionit lidhet me qarkun me polaritet të kundërt. Në këtë rast, grafikët e kundërt të karakteristikës së tensionit aktual përdoren për kushte të ndryshme ndriçimi.

Tensioni dhe rryma në ngarkesën R n përcaktohen në grafik nga kryqëzimet e karakteristikave të fotodiodës dhe linjës së ngarkesës, e cila korrespondon me rezistencën R n. Në errësirë, fotodioda është e barabartë në veprimin e saj me një diodë konvencionale. Rryma në modalitetin e errët për diodat e silikonit varion nga 1 në 3 mikroamper, për diodat e germaniumit nga 10 në 30 mikroamper.

Llojet e fotodiodave

Ekzistojnë disa lloje të ndryshme fotodiodash që kanë avantazhet e tyre.

fq – i – nfotodiodë

Në rajonin p-n, kjo diodë ka një seksion me rezistencë të lartë dhe përçueshmëri të brendshme. Kur ekspozohen ndaj dritës, shfaqen çifte vrimash dhe elektronesh. Fusha elektrike në këtë zonë ka një vlerë konstante, nuk ka ngarkesë hapësinore.

Kjo shtresë ndihmëse redukton ndjeshëm kapacitetin e shtresës penguese dhe është e pavarur nga tensioni. Kjo zgjeron brezin e frekuencës së funksionimit të diodave. Si rezultat, shpejtësia rritet ndjeshëm, dhe frekuenca arrin 10 10 herc. Rritja e rezistencës së kësaj shtrese zvogëlon ndjeshëm rrymën e funksionimit në mungesë të ndriçimit. Në mënyrë që fluksi i dritës të jetë në gjendje të depërtojë në shtresën p, ajo nuk duhet të jetë e trashë.

Fotodioda orteku

Ky lloj diodë është një gjysmëpërçues shumë i ndjeshëm që konverton dritën në një sinjal të rrymës elektrike duke përdorur efektin fotoelektrik. Me fjalë të tjera, këta janë fotodetektorë që përforcojnë sinjalin për shkak të efektit të shumëzimit të ortekëve.

1 - kontaktet omike 2 - Veshje antireflektuese

Fotodiodat e ortekut janë më të ndjeshme se fotodetektorët e tjerë. Kjo bën të mundur përdorimin e tyre për fuqi të ulëta të dritës.

Supergrlatat përdoren në projektimin e fotodiodave të ortekëve. Thelbi i tyre qëndron në faktin se dallimet e rëndësishme në jonizimin e ndikimit të transportuesve çojnë në një rënie të zhurmës.

Një avantazh tjetër i përdorimit të strukturave të ngjashme është lokalizimi i mbarështimit të ortekëve. Gjithashtu zvogëlon ndërhyrjen. Në supergrilcë, trashësia e shtresave është nga 100 në 500 angstroms.

Parimi i funksionimit

Në një tension të kundërt, afër vlerës së prishjes së ortekëve, rryma e fotove rritet ndjeshëm për shkak të jonizimit të ndikimit të transportuesve të ngarkesës. Veprimi është se energjia e elektronit ngrihet nga fusha e jashtme dhe mund të tejkalojë kufirin e jonizimit të substancës, si rezultat i së cilës takimi i këtij elektroni me një elektron nga brezi i valencës do të çojë në shfaqjen e një çifti të ri. të elektronit dhe vrimës. Transportuesit e karikimit të këtij çifti do të përshpejtohen nga terreni dhe mund të kontribuojnë në formimin e transportuesve të rinj të ngarkesës.

Karakteristikat

Vetitë e diodave të tilla të dritës mund të përshkruhen nga disa varësi.

Volt-amper

Kjo karakteristikë është varësia e fuqisë së rrymës në një fluks konstant të dritës nga tensioni.

I- aktuale M- faktori i shumëzimit U- tension

Shkëlqyeshëm

Kjo veti është varësia e rrymës së diodës nga ndriçimi. Me rritjen e fluksit të dritës, rritet fotorryma.

Spektrale

Kjo veti është varësia e rrymës së diodës nga gjatësia e valës së dritës dhe është gjerësia e zonës kufitare.

Konstante kohore

Kjo është koha që duhet që rryma foto e diodës të ndryshojë pas aplikimit të dritës në krahasim me vlerën e gjendjes së qëndrueshme.

rezistencë e errët

Kjo është vlera e rezistencës së diodës në errësirë.

inercia

Faktorët që ndikojnë në këtë karakteristikë:

• Koha e difuzionit të bartësve të ngarkesës jo ekuilibër.
• Koha e kalimit përgjatë tranzicionit p-n.
• Periudha e rimbushjes së kapacitetit të pengesës së kryqëzimit p-n.

Fusha e zbatimit

Fotodiodat janë elementët kryesorë të shumë pajisjeve optoelektronike.

Qarqet e integruara (optoelektronike)

Një fotodiodë mund të ketë një shpejtësi të konsiderueshme funksionimi, por faktori aktual i amplifikimit nuk është më shumë se unitet. Për shkak të lidhjes optike, mikroqarqet kanë përparësi të rëndësishme: izolim ideal galvanik i qarqeve të kontrollit nga qarqet e fuqishme të energjisë. Në të njëjtën kohë, midis tyre ruhet një marrëdhënie funksionale.

Fotodetektorë me elementë të shumtë

Këto pajisje në formën e një matrice fotodiode, një skaner, janë pajisje të reja elektronike progresive. Syri i tyre optoelektronik me një fotodiodë mund të krijojë një përgjigje ndaj vetive hapësinore dhe të ndriçimit të objekteve. Me fjalë të tjera, ai mund të shohë imazhin e tij të plotë vizual.

Numri i qelizave të ndjeshme ndaj dritës është shumë i madh. Prandaj, përveç çështjeve të shpejtësisë dhe ndjeshmërisë, është e nevojshme të lexoni informacione. Të gjithë fotodetektorët me fotocelula të shumta janë sisteme skanimi, domethënë pajisje që ju lejojnë të analizoni hapësirën e studiuar me anë të shikimit të njëpasnjëshëm element pas elementi.

Fotodiodat përdoren gjithashtu gjerësisht në linjat e fibrave optike dhe matësit lazer. Kohët e fundit, dioda të tilla të lehta janë përdorur në tomografinë me emetim pozitron.

Aktualisht, ekzistojnë mostra të matricave fotosensitive që përbëhen nga fotodioda orteku. Efektiviteti dhe shtrirja e tyre varet nga disa faktorë.

Faktorët më me ndikim ishin:

• Rryma totale e rrjedhjes që rezulton nga shtimi i zhurmës dhe rrymës në mungesë të dritës.
• Efikasiteti kuantik, i cili përcakton proporcionin e kuanteve të incidentit, duke çuar në shfaqjen e bartësve të rrymës dhe ngarkesës.

Laboratori numër 16

Studimi i fotodiodës

Synimi: Njihuni me parimin e funksionimit, pajisjen, karakteristikat dhe aplikimin e fotodiodave gjysmëpërçuese.

Instrumentet dhe aksesorët: fotodiodë gjermane FD-7G, stendë për matjen e karakteristikave të tensionit aktual të diodave, stol optik me një ndriçues, furnizim me energji elektrike, oshiloskop.

Hyrja teorike

fotodiodë quhet një diodë gjysmëpërçuese që është e ndjeshme ndaj dritës dhe e krijuar për të kthyer fluksin e dritës (rrezatimin optik) në një sinjal elektrik.

Duke mos ndryshuar në parimin e funksionimit nga fotokonvertuesi i energjisë diellore, fotodiodat kanë veçoritë dhe karakteristikat e tyre të projektimit, të cilat përcaktohen nga qëllimi i tyre.

Fotodiodat janë të destinuara për përdorim si marrës dhe sensorë të rrezatimit optik (zakonisht i dukshëm dhe infra të kuq) si pjesë e pajisjeve dhe pajisjeve të ndryshme që përdorin rrezatim të dukshëm dhe infra të kuq.

Funksionimi i fotodiodave bazohet në dukurinë e efektit të brendshëm fotoelektrik, në të cilin nën veprimin e dritës shfaqen elektrone dhe vrima shtesë (jo ekuilibër) në gjysmëpërçues, duke krijuar një fotorrymë ose fotovoltazh.

1. Parimi i funksionimit të fotodiodave me një kryqëzim p-n. Në fotodioda, elementi fotosensiv është rajoni i tranzicionit - p-n-bashkimi, i vendosur midis rajoneve me përçueshmëri elektronike dhe vrima (Fig. 1).

Formimi i një kryqëzimi p-n. Një gjysmëpërçues i tipit n përmban një sasi të caktuar atomesh të llojit dhurues të papastërtive, të cilat pothuajse të gjitha jonizohen në temperaturën e dhomës. Kështu, në një gjysmëpërçues të tillë ka n o elektrone të lira dhe të njëjtin numër jonesh të palëvizshëm të ngarkuar pozitivisht të papastërtisë së dhuruesit.

Një situatë e ngjashme ndodh në një gjysmëpërçues vrimash (gjysmëpërçues të tipit p). Ai ka p rreth vrimave të lira dhe të njëjtin numër jonesh të ngarkuar negativisht të atomeve pranuese. Parimi i formimit të një kryqëzimi p-n është paraqitur në fig. 1.

Kur rajonet p dhe n vijnë në kontakt në to, për shkak të pranisë së një gradienti përqendrimi të elektroneve dhe vrimave, lind një rrjedhë difuzioni e elektroneve nga gjysmëpërçuesi i tipit n në gjysmëpërçuesin e tipit p dhe, anasjelltas, rrjedhja e vrimës nga p-gjysmëpërçuesi në n-gjysmëpërçues. Elektronet që kanë kaluar nga rajoni n në rajonin p rikombinohen me vrima pranë ndërfaqes. Vrimat rikombinohen në mënyrë të ngjashme, duke lëvizur nga rajoni p në rajonin n. Si rezultat, praktikisht nuk ka transportues të lirë të ngarkesës (elektrone dhe vrima) pranë kryqëzimit p-n.

Kështu, në të dy anët e kryqëzimit p-n, formohet një shtresë e dyfishtë e ngarkuar e formuar nga jonet e papastërtive të palëvizshme (emra të tjerë - një shtresë zbrazjeje ose një rajon ngarkimi hapësinor (SCR), një shtresë bllokuese), e cila krijon një fushë të fortë elektrike. Fusha elektrike e shtresës bllokuese drejtohet nga rajoni n në rajonin p dhe kundërshton procesin e difuzionit të bartësve kryesorë të ngarkesës nga rajonet e largëta nga kryqëzimi p-n në rajonin e varfëruar. Një gjendje e tillë është ekuilibër dhe, në mungesë të shqetësimeve të jashtme, mund të ekzistojë për një kohë arbitrare të gjatë.

Oriz. 1 – Formimi i kryqëzimit p-n Fig. 2

Si funksionon një fotodiodë. Rrezatimi optik (drita) i zhytur në një strukturë gjysmëpërçuese me një bashkim p-n krijon çifte të lira elektron-vrima, me kusht që energjia e fotonit hν të tejkalojë hendekun e brezit të gjysmëpërçuesit P.sh.

Elektronet dhe vrimat e lira lindin si në rajonet e kryqëzimit p dhe n ashtu edhe në afërsi të shtresës bllokuese. Fusha elektrike që ekziston në shtresën bllokuese (fusha e kryqëzimit p-n) ndan bartësit e ngarkesës së lirë të krijuar nga drita, në varësi të shenjës së tyre, në pjesë të ndryshme të fotodiodës: elektronet e lira lëvizin në rajonin n të kryqëzimit, dhe vrimat lëvizin në rajonin p, gjë që çon në ngarkimin e këtyre zonave (Fig. 2).

Kur ndriçohet, vrimat grumbullohen në rajonin p, duke e ngarkuar atë pozitivisht. Elektronet grumbullohen në rajonin n, duke e ngarkuar atë negativisht. Prandaj, ekziston një ndryshim i mundshëm midis tyre.

Në këtë rast, dy mënyra të funksionimit të pajisjes janë të mundshme: në qarqe me një burim të jashtëm të energjisë dhe pa të. Mënyra e funksionimit të një fotodiode me një burim të jashtëm të energjisë quhet fotodiodë, dhe pa një burim të jashtëm të energjisë quhet mënyra e gjenerimit të fotovoltazhit (një emër tjetër është modaliteti fotovoltaik).

Mënyra e gjenerimit. Në këtë rast, asnjë tension i jashtëm nuk aplikohet në kryqëzim dhe qarku është i hapur. Ndriçimi çon në akumulimin e fotoelektroneve në rajonin n dhe vrimave në rajonin p. Si rezultat, formohet një ndryshim potencial U f (shpesh i quajtur "tension

Oriz. 3 Fig.4 - Karakteristikat volt-amper të fotodiodës

në flukse të ndryshme drite (Ф 1< Ф 2 < Ф 3).

në boshe U xx "), domethënë, shfaqet një foto-emf. Akumulimi i elektroneve dhe vrimave të tepërta nuk është i pakufizuar. Njëkohësisht me një rritje të përqendrimit të vrimave në rajonin e vrimës dhe elektroneve në rajonin elektronik, pengesa potenciale e tranzicionit zvogëlohet me vlerën e fotovoltazhit dhe ndodh difuzioni i shumicës së transportuesve të ngarkesës përmes kryqëzimit p-n. Ekziston një ekuilibër dinamik.

Kur lidhet me terminalet e jashtme të fotodiodës së ngarkesës R n, në qarkun e saj do të shfaqet një rrymë (Fig. 3). Në qarkun e jashtëm, fotorryma drejtohet nga rajoni p në rajonin n. Në kushte të tilla, fotodioda funksionon si një konvertues i energjisë së rrezatimit në energji elektrike.

Karakteristikë volt-amper e kryqëzimit p-n të ndriçuar. Karakteristika e tensionit aktual të kryqëzimit pn nën ndriçim mund të shkruhet në formën e mëposhtme:

, (1)

ku I n - rryma e ngopjes në errësirë; I f - fotorryma, domethënë rryma e krijuar nga transportuesit e ngarkesës të ngacmuar nga drita dhe që kalojnë nëpër kryqëzimin pn; U është tensioni i jashtëm në kryqëzim.

Në fig. Figura 4 tregon grafikët e varësisë së rrymës-tensionit për flukset e ndryshme të dritës F. Në mungesë të ndriçimit (I f = 0), karakteristika e rrymës-tensionit (e errët) kalon përmes origjinës. Lakoret e mbetura që korrespondojnë me flukse të caktuara të dritës zhvendosen përgjatë boshtit të ordinatave (boshtit të rrymës) në segmente të barabarta me forcën e fotorrymës - I f. Nga shprehja (1) shihet se me përfshirjen e kundërt (U< 0) и при

(qU >> kT) rryma përmes tranzicionit I \u003d - (I n + I f).

Pjesët e kurbave të vendosura në kuadrantin e tretë korrespondojnë me mënyrën e funksionimit të fotodiodës): pjesët e kurbave të vendosura në kuadrantin e katërt korrespondojnë me mënyrën e gjenerimit të fotovoltazhit.

Nëse në qarkun e jashtëm forca aktuale I \u003d 0 (qarku është i hapur), atëherë nga shprehja (1) mund të gjeni tensionin e qarkut të hapur U f.

(2)

Nëse fotodioda në modalitetin e gjenerimit është e lidhur me një qark të jashtëm me rezistencë të ulët, atëherë fotoelektronet në rajonin n nuk grumbullohen dhe U f = 0. Dhe meqenëse nuk ka tension të jashtëm, rryma I = - I f rrjedh në qarku, i quajtur shpesh rrymë e qarkut të shkurtër dhe drejtpërdrejt në përpjesëtim me fluksin e dritës I f ~ F.

Oriz. 5 - Diagrami strukturor i fotodiodës dhe qarkut

ndezja e tij gjatë punës në modalitetin e fotodiodës: Fig.6

1 - kristal gjysmëpërçues; 2 - kontakte;

3 - përfundime; Ф - fluksi elektromagnetik

rrezatimi; n dhe p janë rajone gjysmëpërçuese;

E - burimi i rrymës direkte; R n - ngarkesa.

modaliteti i fotodiodës. Në këtë mënyrë, një tension i kundërt aplikohet në kryqëzimin p-n

(rajoni p është i lidhur me minusin e burimit të tensionit, dhe rajoni n me plusin e burimit; Fig. 5). Qarku përfshin gjithashtu një rezistencë ndaj ngarkesës (rezistencë) R n. Në këtë rast, tranzicioni ka një rezistencë të madhe dhe një rrymë e dobët e kundërt rrjedh nëpër të (rryma e ngopjes në errësirë ​​I n). Kur fotodioda është e ndriçuar, rryma përmes saj rritet ndjeshëm për shkak të shfaqjes së një fotorryme dhe mund të tejkalojë ndjeshëm rrymën e errët I n (Fig. 4). Prandaj, rënia e tensionit në rezistencën e ngarkesës R n gjithashtu ndryshon. Me zgjedhjen e duhur të burimit të tensionit dhe rezistencës së jashtme R n, madhësia e sinjalit elektrik (tensioni në të gjithë rezistencën) mund të jetë i madh, dhe për këtë arsye fotodiodat përdoren gjerësisht për të regjistruar dhe matur sinjalet e dritës.

Rryma përmes fotodiodës përcaktohet kryesisht nga flukset e transportuesve të vegjël të ngarkesës jo ekuilibër (elektrone në rajonin p dhe vrima në rajonin n) që ndodhin gjatë ndriçimit, dhe nuk varet nga voltazhi, domethënë ka karakterin të një rryme ngopjeje. Prandaj, në modalitetin e fotodiodës, vërehet një varësi e rreptë lineare e rrymës fotografike nga ndriçimi deri në vlera shumë të larta të ndriçimit. Ky është një avantazh i rëndësishëm i fotodiodave.

Për të regjistruar sinjale optike të ndryshueshme (flukset e dritës), skema e paraqitur në fig. 6. Ndryshimi i fluksit të dritës, incidenti në fotodiodë shkakton një komponent të rrymës alternative në qark, i cili përsërit ndryshimet në intensitetin e dritës. Dhe në rezistencën R n ndodhin të njëjtat ndryshime të tensionit, i cili futet në hyrjen e sistemit të regjistrimit. Për të ndarë (mos anashkaluar) përbërësin konstant të tensionit në të gjithë rezistencën, një kondensator ndarës C ndodhet në qarkun e sinjalit.

2. Teknologjia dhe dizajni i prodhimit. Për prodhimin e kryqëzimeve pn në prodhimin e fotodiodave, përdoret metoda e shkrirjes së papastërtive dhe difuzioni. Në këtë rast, vëmendja kryesore i kushtohet thellësisë së kryqëzimit p-n në lidhje me

Fig.7 - Ndërtimi i barbarozës Fig.8 - Karakteristikat spektrale

fotodiodë FD-1. fotodioda e germaniumit (1) dhe silikonit (2).

sipërfaqe kristalore e ndriçuar, pasi përcakton inercinë (shpejtësinë) e fotodiodës. Figura 7 tregon dizajnin e fotodiodës së germaniumit FD-1 në një kuti metalike. Pllaka e rrumbullakët 1, e prerë nga një kristal i vetëm i germaniumit me përçueshmëri elektrike të tipit n, fiksohet me ndihmën e një mbajtëse kristali 2 në një kuti kovar 3. Përfundimi 4 nga një elektrodë indi e shkrirë në germanium kalohet përmes një tubi kovar 5 fiksuar nga një izolant xhami 6 në këmbën e kasës 7. Një elektrodë tjetër është vetë kasa e fotodiodës, pasi kristali i germaniumit është ngjitur në mbajtësen e kristalit me një unazë kallaji 8. Kutia e fotodiodës ka një vrimë të rrumbullakët të mbyllur me një gotë thjerrëza 9, e cila mbledh fluksin e dritës në sipërfaqen e kufizuar të pllakës së germaniumit. Për të mbrojtur kryqëzimin p-n nga ndikimet mjedisore, trupi i fotodiodës është i mbyllur.

Disa lloje të fotodiodave kanë një strehë plastike. Materiali i një strehimi të tillë dhe një dritare në një strehë metalike zgjidhet në mënyrë që ato të jenë transparente për atë pjesë të spektrit (rrezatimit) ndaj të cilit kjo fotodiodë duhet të jetë e ndjeshme. Pra, për pajisjet e germaniumit, kjo është drita e dukshme dhe rrezatimi infrakuq me valë të shkurtër.

Materiale, nga të cilat bëhen fotodioda, janë Ge, Si, GaAs, HgCdTe dhe komponime të tjera gjysmëpërçuese.

Karakteristikat dhe parametrat kryesore të fotodiodave

- Ndjeshmëria S - parametër që pasqyron ndryshimin e sinjalit elektrik (rrymë ose tension) në daljen e fotodiodës kur ajo ndriçohet.

Ajo matet në mënyrë sasiore nga raporti i ndryshimit në karakteristikën elektrike (forca e rrymës I f ose tensioni U f), marrë në daljen e fotodiodës, ndaj fluksit të rrezatimit Ф që bie në pajisje.

S I \u003d I f / F- ndjeshmëria aktuale, S v \u003d U f / F- ndjeshmëria e tensionit.

- Pragu i ndjeshmërisë F f- vlera e fluksit minimal të dritës të regjistruar nga fotodioda, referuar njësisë së brezit të frekuencës së funksionimit.

- Konstanta kohore τ, e cila karakterizon inercinë e pajisjes, domethënë shpejtësinë e saj.

Kjo është koha gjatë së cilës rryma e fotodiodës ndryshon pas ndriçimit ose pas errësimit të fotodiodës me e herë në lidhje me vlerën e qëndrueshme.

Për fotodioda me kryqëzim p-n, është 10 -6 - 10 -8 s.

- Rezistenca e errët R Tështë rezistenca e fotodiodës në mungesë të ndriçimit.

- Karakteristikë spektraleështë varësia e fotorrymës nga gjatësia e valës λ e rënies së dritës në fotodiodë. Për fotodiodat e germaniumit dhe silikonit, karakteristikat spektrale janë paraqitur në Fig. 8. Gjatësia e valës, e cila përbën ndjeshmërinë maksimale, për fotodiodat e silikonit është afërsisht e barabartë me λmax = 800 - 900 nm, për fotodiodat e germaniumit është në λmax = 1500 - 1600 nm.

- Karakteristikat e volt-amperit- varësia e rrymës së dritës nga tensioni në një fluks konstant të dritës.

- Karakteristikë e dritës - varësia e fotorrymës nga ndriçimi.

Disa parametra të tjerë janë paraqitur në tabelë.

Emërtimi grafik konvencional i fotodiodave është paraqitur në figurën 9, fotografitë e disa fotodiodave janë paraqitur në figurën 10.

Oriz. 9 Fig.10

4. Aplikimi i fotodiodave. Fotodiodat moderne kanë kombinimin më të mirë të parametrave kryesorë:

1. Ndjeshmëri e lartë ndaj sinjaleve optike;

2. Performanca e lartë;

3. Tension i ulët operativ;

4. Varësia lineare e fotorrymës nga ndriçimi në një gamë të gjerë ndriçimi.

5. Zhurmë e ulët;

6. Thjeshtësia e pajisjes.

Prandaj, ato përdoren gjerësisht në pajisjet e automatizimit, teknologjinë kompjuterike dhe lazer, linjat e komunikimit me fibra optike.

Në jetën e përditshme, fotodiodat përdoren në pajisje të tilla si disqet CD-ROM, kamera moderne dhe pajisje të ndryshme me prekje.

Për shembull, fotodiodat infra të kuqe përdoren në telekomandat, sigurinë, sigurinë dhe sistemet e automatizimit.

Ka fotodioda me rreze X që përdoren për të zbuluar rrezatimin jonizues dhe grimcat me energji të lartë. Një aplikim i rëndësishëm është në pajisjet mjekësore, siç janë skanerët CT.

Përfundimi i punës

Ushtrimi 1. Matja e karakteristikës së tensionit aktual të një fotodiode në mungesë të ndriçimit (në errësirë).

Kur kuantet e dritës thithen në kryqëzimin p-n ose në zonat ngjitur me të, gjenerohen transportues të rinj ngarkimi (elektrone dhe vrima), të cilët, duke kaluar nëpër të, shkaktojnë shfaqjen e një tensioni në terminalet e fotodiodës ose një rrymë që rrjedh në një vend të mbyllur. qarku. Sasia me të cilën rritet rryma e kundërt që rrjedh nëpër kryqëzim quhet fotorrymë.

Një fotodiodë, në varësi të materialit nga i cili është bërë, përdoret për të regjistruar fluksin e dritës në intervalin optik infra të kuqe dhe ultravjollcë. Këto komponente radio zakonisht bëhen nga germanium, silikon, arsenid galium, indium dhe të ngjashme.

Modaliteti i fotodiodës përdor një furnizim të jashtëm me energji elektrike për të kthyer paragjykimin e pajisjes gjysmëpërçuese. Në këtë rast, rrjedh një rrymë e kundërt, në përpjesëtim me fluksin e dritës që ka rënë mbi të. Në intervalin e tensionit të funksionimit (d.m.th., përpara se të ndodhë prishja), kjo rrymë është praktikisht e pavarur nga tensioni i kundërt i aplikuar.

Në modalitetin fotovoltaik, fotodioda vepron si një sensor ose si një bateri me rrymë të ulët, pasi nën ndikimin e fluksit të dritës, gjenerohet një tension në terminalet e fotocelës, në varësi të fluksit dhe ngarkesës së rrezatimit.

Për të kuptuar më mirë mënyrat e funksionimit të këtij komponenti, merrni parasysh karakteristikat e tij të tensionit aktual.

Në mungesë të emetimit të dritës, grafiku është dega e kundërt e karakteristikës I–V të një diode tipike. Ekziston një rrymë e vogël kthimi e quajtur rrymë e errët e kundërt e njëanshme.

Në prani të rrezatimit, rezistenca e fotodiodës zvogëlohet dhe rryma e kundërt rritet. Sa më shumë fluksi i dritës të bjerë në fotocelë, aq më shumë rrymë e kundërt rrjedh nëpër fotodiodë. Varësia në këtë mënyrë është lineare. Siç mund ta shohim nga CVC, rryma e kundërt e fotodiodës është praktikisht e pavarur nga voltazhi i kundërt.

Modaliteti fotovoltaik korrespondon me punën në tremujorin e katërt të grafikut. Dhe këtu mund të dallojmë dy opsione kufizuese: boshe dhe qark të shkurtër.

Modaliteti afër boshtit përdoret për të marrë energji nga fotodioda, megjithëse efikasiteti i saj është i ulët. Por nëse lidhni shumë komponentë të tillë në seri dhe paralelisht, atëherë një bateri e tillë që rezulton mund të fuqizojë një qark me fuqi të ulët.

Në modalitetin e qarkut të shkurtër, voltazhi në fotocelë tenton në zero, dhe rryma e kundërt është drejtpërdrejt proporcionale me fluksin e dritës. Kjo mënyrë përdoret për të ndërtuar sensorë fotografish.

Karakteristikat e fotodiodës

Përveç CVC-së të diskutuar më sipër, ekzistojnë një sërë parametrash bazë të fotocelës.

Karakteristikë e dritës së fotodiodës, varësia e fotorrymës nga ndriçimi, e cila është drejtpërdrejt proporcionale me fotorrymën e krijuar nga ndriçimi. Kjo shpjegohet me faktin se trashësia e bazës së fotodiodës është shumë më e vogël se gjatësia e difuzionit të transportuesve të ngarkesës së pakicës. Kjo do të thotë, pothuajse të gjithë transportuesit e ngarkesës së pakicës që u shfaqën në bazë marrin pjesë në formimin e një fotorryme.

Karakteristikë spektrale fotodioda është varësia e fotorrymës nga gjatësia e valës së fluksit të dritës që vepron në fotocelë.

konstante kohore- gjatë kësaj kohe, fotorryma e fotocelës ndryshon pas ndriçimit ose pas errësimit të fotodiodës në raport me vlerën e qëndrueshme.

rezistencë e errët- rezistenca e komponentit të radios në mungesë të ndriçimit.

Një fotodiodë është një diodë gjysmëpërçuese, rryma e së cilës varet nga ndriçimi. Zakonisht, kjo rrymë nënkupton rrymën e kundërt të fotodiodës, sepse varësia e saj nga ndriçimi shprehet me urdhra të madhësisë më të fortë se rryma e drejtpërdrejtë. Në të ardhmen, ne do të flasim për rrymën e kundërt.

Në përgjithësi, një fotodiodë është një kryqëzim p-n i hapur ndaj rrezatimit të dritës. Nën ndikimin e dritës, në rajonin e kryqëzimit p-n krijohen bartës të ngarkesës (elektrone dhe vrima), të cilët kalojnë nëpër të dhe shkaktojnë tension në terminalet e fotodiodës ose rrjedhjen e rrymës në një qark të mbyllur.

Fotodioda, në varësi të materialit të saj, është projektuar për të regjistruar fluksin e dritës në gjatësitë e valëve infra të kuqe, optike dhe ultravjollcë. Fotodiodat janë bërë nga silikoni, germanium, arsenid galium, arsenid galium indium dhe materiale të tjera.

Fotodiodat përdoren gjerësisht në sistemet e kontrollit, metrologjinë, robotikën dhe fusha të tjera. Ato përdoren gjithashtu si pjesë e komponentëve të tjerë, për shembull, optobashkues, opto-rele. Përsa i përket mikrokontrolluesve, fotodiodat përdoren si sensorë të ndryshëm - sensorë fundor, sensorë të dritës, sensorë të distancës, sensorë pulsi, etj.

Përcaktimi në diagrame

Në diagramet elektrike, një fotodiodë quhet diodë, me dy shigjeta të drejtuara drejt saj. Shigjetat simbolizojnë incidentin e rrezatimit në fotodiodë. Mos e ngatërroni me përcaktimin e LED-it, në të cilin shigjetat drejtohen larg tij.

Emërtimi i shkronjës së fotodiodës mund të jetë VD ose BL (fotoqelizë).

Mënyrat e funksionimit të fotodiodës

Fotodioda funksionon në dy mënyra: fotodiodë dhe fotovoltaike (fotovoltaike, gjenerator).

Modaliteti i fotodiodës përdor një furnizim me energji elektrike që anon nga ana tjetër fotodiodën. Në këtë rast, një rrymë e kundërt rrjedh nëpër fotodiodë, në përpjesëtim me fluksin e dritës që ka rënë në të. Në intervalin e tensionit të funksionimit (d.m.th., përpara se të ndodhë prishja), kjo rrymë është praktikisht e pavarur nga tensioni i kundërt i aplikuar.

Në modalitetin fotovoltaik, fotodioda funksionon pa një furnizim të jashtëm me energji elektrike. Në këtë mënyrë, mund të funksionojë si sensorë ose si bateri (bateri diellore), pasi nën ndikimin e dritës shfaqet një tension në daljet e fotodiodës, i cili varet nga fluksi dhe ngarkesa e rrezatimit.

Karakteristikat e volt-amperit

Për të kuptuar më mirë mënyrat e funksionimit të fotodiodës, duhet të merrni parasysh karakteristikën e saj të tensionit aktual.

Grafiku përbëhet nga 4 zona, të ashtuquajturat kuadrantë. Modaliteti i fotodiodës korrespondon me funksionimin në kuadrantin e 3-të.

Në mungesë të rrezatimit, grafiku është dega e kundërt e karakteristikës së tensionit aktual të një diode gjysmëpërçuese konvencionale. Ekziston një rrymë e vogël e kundërt, e cila quhet rryma termike (e errët) e kryqëzimit p-n me anim të kundërt.

Në prani të një fluksi drite, rezistenca e fotodiodës zvogëlohet dhe rryma e kundërt e fotodiodës rritet. Sa më shumë dritë të bjerë, aq më shumë rrymë e kundërt rrjedh nëpër fotodiodë. Varësia e rrymës së kundërt të fotodiodës nga fluksi i dritës në këtë mënyrë është lineare.

Nga grafiku mund të shihet se rryma e kundërt e fotodiodës varet dobët nga tensioni i kundërt. Shikoni pjerrësinë e grafikut nga tensioni zero në tensionin e prishjes, është i vogël.

Modaliteti fotovoltaik korrespondon me funksionimin e fotodiodës në kuadrantin e 4-të. Këtu ka dy raste ekstreme:

boshe (xx),
- qark i shkurtër (qark i shkurtër).

Modaliteti afër boshtit përdoret për të marrë energji nga fotodioda. Kjo është, për përdorimin e një fotodiode si një bateri diellore. Natyrisht, një fotodiodë do të jetë pak e dobishme, dhe efikasiteti i saj është i ulët. Por nëse lidhni shumë elementë, atëherë një bateri e tillë mund të fuqizojë një pajisje me fuqi të ulët.

Në modalitetin e qarkut të shkurtër, voltazhi i fotodiodës është afër zeros, dhe rryma e kundërt është drejtpërdrejt proporcionale me daljen e dritës. Kjo mënyrë përdoret për të ndërtuar fotosensorë.

Cilat janë avantazhet dhe disavantazhet e mënyrave të funksionimit të fotodiodës dhe fotovoltaike? Modaliteti i fotodiodës siguron performancë më të shpejtë të fotodiodës, por gjithmonë ka rrymë të errët në këtë modalitet. Në modalitetin fotovoltaik, nuk ka rrymë të errët, por shpejtësia e sensorëve do të jetë më e ngadaltë.