Photodiodes: thiết bị, đặc điểm và nguyên tắc hoạt động
Điốt quang đơn giản nhất là một điốt bán dẫn thông thường cung cấp khả năng tác động đến bức xạ quang trên tiếp giáp p - n.
Ở trạng thái cân bằng, khi hoàn toàn không có thông lượng bức xạ, nồng độ hạt tải điện, phân bố điện thế và sơ đồ dải năng lượng của điốt quang hoàn toàn tương ứng với cấu trúc pn thông thường.
Khi chiếu bức xạ theo phương vuông góc với mặt phẳng tiếp giáp p-n, do sự hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng, các cặp electron-lỗ trống xuất hiện trong vùng n. Các điện tử và lỗ trống này được gọi là các hạt quang điện.
Trong quá trình khuếch tán quang mang đi sâu vào vùng n, phần chính của các electron và lỗ trống không có thời gian để tái hợp và đạt đến ranh giới tiếp giáp p-n. Ở đây, các hạt tải quang được ngăn cách bởi điện trường của tiếp giáp p — n và các lỗ trống đi vào vùng p, và các electron không thể vượt qua trường chuyển tiếp và tích tụ tại ranh giới của tiếp giáp p — n và vùng n.
Do đó, dòng điện qua tiếp giáp p - n là do sự trôi dạt của các hạt tải điện thiểu số - lỗ trống. Dòng trôi của các hạt quang mang được gọi là dòng quang.
Điốt quang có thể hoạt động ở một trong hai chế độ — không có nguồn năng lượng điện bên ngoài (chế độ bộ tạo quang) hoặc có nguồn năng lượng điện bên ngoài (chế độ bộ chuyển đổi quang).
Điốt quang hoạt động ở chế độ máy phát quang thường được sử dụng làm nguồn năng lượng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Chúng được gọi là pin mặt trời và là một phần của tấm pin mặt trời được sử dụng trong tàu vũ trụ.
Hiệu suất của pin mặt trời silicon là khoảng 20%, trong khi đối với pin mặt trời màng, nó có thể quan trọng hơn nhiều. Các thông số kỹ thuật quan trọng của pin mặt trời là tỷ lệ giữa công suất đầu ra của chúng với khối lượng và diện tích chiếm dụng của pin mặt trời. Các thông số này lần lượt đạt giá trị 200 W/kg và 1 kW/m2.
Khi điốt quang hoạt động ở chế độ chuyển đổi quang điện, nguồn điện E được kết nối với mạch theo hướng chặn (Hình 1, a). Các nhánh đảo ngược của đặc tính I - V của điốt quang được sử dụng ở các mức độ chiếu sáng khác nhau (Hình 1, b).
Cơm. 1. Sơ đồ bật điốt quang ở chế độ chuyển đổi quang: a — mạch chuyển mạch, b — I — V đặc tính của điốt quang
Dòng điện và điện áp trong điện trở tải Rn có thể được xác định bằng đồ thị từ các giao điểm của đặc tính dòng điện-điện áp của điốt quang và đường tải tương ứng với điện trở của điện trở Rn. Trong trường hợp không có ánh sáng, điốt quang hoạt động ở chế độ của một điốt thông thường. Dòng tối đối với điốt quang germanium là 10 — 30 μA, đối với điốt quang silicon là 1 — 3 μA.
Nếu một sự cố điện thuận nghịch kèm theo sự nhân lên của các hạt mang điện được sử dụng trong điốt quang, như trong điốt zener bán dẫn, thì dòng quang, và do đó độ nhạy, sẽ tăng lên rất nhiều.
Độ nhạy của điốt quang tuyết lở có thể cao hơn vài bậc so với độ nhạy của điốt quang thông thường (đối với germanium - 200 - 300 lần, đối với silicon - 104 - 106 lần).
Điốt quang Avalanche là thiết bị quang điện tốc độ cao với dải tần lên tới 10 GHz. Nhược điểm của điốt quang tuyết lở là độ ồn cao hơn so với điốt quang thông thường.
Cơm. 2. Sơ đồ mạch điện trở quang (a), UGO (b), năng lượng (c) và đặc tính dòng điện-điện áp (d) của điện trở quang
Ngoài điốt quang, điện trở quang (Hình 2), phototransistor và photothyristor được sử dụng, sử dụng hiệu ứng quang điện bên trong. Nhược điểm đặc trưng của chúng là quán tính cao (giới hạn tần số hoạt động fgr <10 — 16 kHz), làm hạn chế việc sử dụng chúng.
Thiết kế của phototransistor tương tự như một bóng bán dẫn thông thường có một cửa sổ trong vỏ mà qua đó đế có thể được chiếu sáng. UGO phototransistor — một bóng bán dẫn có hai mũi tên chỉ vào nó.
Đèn LED và điốt quang thường được sử dụng theo cặp.Trong trường hợp này, chúng được đặt trong một vỏ sao cho vùng cảm quang của điốt quang nằm đối diện với vùng phát ra của đèn LED. Các thiết bị bán dẫn sử dụng các cặp điốt quang LED được gọi là bộ ghép quang (Hình 3).
Cơm. 3. Bộ ghép quang: 1 — đèn LED, 2 — đi-ốt quang
Các mạch đầu vào và đầu ra trong các thiết bị như vậy không được kết nối điện theo bất kỳ cách nào, vì tín hiệu được truyền bằng bức xạ quang.
Potapov L.A.