Fotodiodos: dispositivo, características e princípios de operação

O fotodiodo mais simples é um diodo semicondutor convencional que fornece a capacidade de influenciar a radiação óptica na junção p - n.

No estado de equilíbrio, quando o fluxo de radiação está completamente ausente, a concentração de portadores, a distribuição de potencial e o diagrama de banda de energia do fotodiodo correspondem totalmente à estrutura pn usual.

Quando expostos à radiação em uma direção perpendicular ao plano da junção p-n, como resultado da absorção de fótons com energia maior que a largura de banda, pares elétron-buraco aparecem na região n. Esses elétrons e lacunas são chamados de fotoportadores.

Durante a difusão do fotoportador profundamente na região n, a fração principal de elétrons e lacunas não tem tempo para se recombinar e atinge o limite da junção p-n. Aqui, os fotoportadores são separados pelo campo elétrico da junção p — n e os buracos passam para a região p, e os elétrons não conseguem superar o campo de transição e se acumulam no limite da junção p — n e da região n.

Assim, a corrente através da junção p — n é devido ao desvio de portadores minoritários — buracos. A corrente de deriva dos fotoportadores é chamada de fotocorrente.

Os buracos dos fotoportadores carregam a região p positivamente em relação à região n, e os elétrons dos fotoportadores carregam a região n negativamente em relação à região p. A diferença de potencial resultante é chamada de potencial fotoelétrico Ef. A corrente gerada no fotodiodo é invertida, é direcionada do cátodo para o ânodo, e seu valor é quanto maior, maior a iluminação.

Os fotodiodos podem operar em um de dois modos — sem uma fonte externa de energia elétrica (modo fotogerador) ou com uma fonte externa de energia elétrica (modo fotoconversor).

Os fotodiodos que operam no modo fotogerador são frequentemente usados ​​como fontes de energia que convertem a energia solar em energia elétrica. Elas são chamadas de células solares e fazem parte de painéis solares usados ​​em naves espaciais.

A eficiência das células solares de silício é de cerca de 20%, enquanto para células solares de filme pode ser muito mais importante. Parâmetros técnicos importantes das células solares são a relação entre sua potência de saída e a massa e a área ocupada pela célula solar. Esses parâmetros atingem valores de 200 W/kg e 1 kW/m2, respectivamente.

Quando o fotodiodo opera no modo de fotoconversão, a fonte de alimentação E é conectada ao circuito no sentido de bloqueio (Fig. 1, a). Os ramos reversos da característica I — V do fotodiodo são usados ​​em diferentes níveis de iluminação (Fig. 1, b).

Arroz. 1. Esquema de ligar o fotodiodo no modo de fotoconversão: a — circuito de comutação, b — I — V característica do fotodiodo

A corrente e a tensão no resistor de carga Rn podem ser determinadas graficamente a partir dos pontos de interseção da característica corrente-tensão do fotodiodo e da linha de carga correspondente à resistência do resistor Rn. Na ausência de iluminação, o fotodiodo funciona como um diodo convencional. A corrente escura para fotodiodos de germânio é 10 - 30 μA, para fotodiodos de silício 1 - 3 μA.

Se um colapso elétrico reversível acompanhado por uma multiplicação em avalanche de portadores de carga for usado em fotodiodos, como em diodos zener semicondutores, então a fotocorrente e, portanto, a sensibilidade, aumentará bastante.

A sensibilidade dos fotodiodos de avalanche pode ser várias ordens de magnitude maior que a dos fotodiodos convencionais (para germânio — 200 — 300 vezes, para silício — 104 — 106 vezes).

Os fotodiodos Avalanche são dispositivos fotovoltaicos de alta velocidade com uma faixa de frequência de até 10 GHz. A desvantagem dos fotodiodos de avalanche é o nível de ruído mais alto em comparação com os fotodiodos convencionais.

Arroz. 2. Diagrama do circuito do fotoresistor (a), UGO (b), energia (c) e características de corrente-tensão (d) do fotoresistor

Além dos fotodiodos, são utilizados fotorresistores (Figura 2), fototransistores e fototiristores, que utilizam o efeito fotoelétrico interno. Sua desvantagem característica é sua alta inércia (limitando a frequência operacional fgr <10 — 16 kHz), o que limita seu uso.

O design do fototransistor é semelhante ao de um transistor convencional que possui uma janela na caixa através da qual a base pode ser iluminada. Fototransistor UGO — um transistor com duas setas apontando para ele.

LEDs e fotodiodos são frequentemente usados ​​em pares.Nesse caso, eles são colocados em um invólucro de forma que a área fotossensível do fotodiodo fique oposta à área emissora do LED. Dispositivos semicondutores que usam pares de fotodiodos LED são chamados optoacopladores (Fig. 3).

Arroz. 3. Optoacoplador: 1 — LED, 2 — fotodiodo

Os circuitos de entrada e saída em tais dispositivos não são conectados eletricamente de forma alguma, pois o sinal é transmitido por radiação óptica.

Potapov LA