Fotodioda: perangkat, karakteristik, dan prinsip operasi

Fotodioda paling sederhana adalah dioda semikonduktor konvensional yang memberikan kemampuan untuk mempengaruhi radiasi optik pada sambungan p-n.

Dalam keadaan kesetimbangan, ketika fluks radiasi benar-benar tidak ada, konsentrasi pembawa, distribusi potensial, dan diagram pita energi fotodioda sepenuhnya sesuai dengan struktur pn biasa.

Ketika terkena radiasi dalam arah tegak lurus terhadap bidang p-n-junction, akibat penyerapan foton dengan energi lebih besar dari lebar pita, pasangan lubang elektron muncul di wilayah-n. Elektron dan lubang ini disebut photocarrier.

Selama difusi pembawa foto jauh ke dalam wilayah-n, fraksi utama elektron dan lubang tidak memiliki waktu untuk bergabung kembali dan mencapai batas persimpangan p-n. Di sini, photocarrier dipisahkan oleh medan listrik dari persimpangan p-n dan lubang masuk ke wilayah p, dan elektron tidak dapat mengatasi medan transisi dan menumpuk di batas persimpangan p-n dan wilayah n.

Dengan demikian, arus yang melalui persimpangan p-n disebabkan oleh arus pembawa minoritas-lubang. Arus drift pembawa foto disebut arus foto.

Photocarrier-hole mengisi wilayah-p secara positif terhadap wilayah-n, dan fotocarrier-elektron-wilayah-n secara negatif terhadap wilayah-p. Beda potensial yang dihasilkan disebut potensial fotolistrik Ef. Arus yang dihasilkan di fotodioda dibalik, diarahkan dari katoda ke anoda, dan nilainya semakin besar, semakin besar iluminasi.

Fotodioda dapat beroperasi dalam salah satu dari dua mode — tanpa sumber energi listrik eksternal (mode photogenerator) atau dengan sumber energi listrik eksternal (mode photoconverter).

Fotodioda yang beroperasi dalam mode fotogenerator sering digunakan sebagai sumber daya yang mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Mereka disebut sel surya dan merupakan bagian dari panel surya yang digunakan dalam pesawat ruang angkasa.

Efisiensi sel surya silikon sekitar 20%, sedangkan untuk sel surya film bisa jauh lebih penting. Parameter teknis penting sel surya adalah rasio daya keluarannya terhadap massa dan area yang ditempati oleh sel surya. Parameter ini masing-masing mencapai nilai 200 W / kg dan 1 kW / m2.

Ketika fotodioda beroperasi dalam mode konversi foto, catu daya E dihubungkan ke sirkuit dengan arah pemblokiran (Gbr. 1, a). Cabang kebalikan dari karakteristik I-V dari fotodioda digunakan pada tingkat pencahayaan yang berbeda (Gbr. 1, b).

Beras. 1. Skema menyalakan fotodioda dalam mode konversi foto: a — rangkaian switching, b — I — V karakteristik fotodioda

Arus dan tegangan dalam resistor beban Rn dapat ditentukan secara grafis dari titik persimpangan karakteristik tegangan arus fotodioda dan garis beban yang sesuai dengan resistansi resistor Rn. Dengan tidak adanya penerangan, fotodioda bekerja dalam mode dioda konvensional. Arus gelap untuk fotodioda germanium adalah 10 — 30 μA, untuk fotodioda silikon 1 — 3 μA.

Jika gangguan listrik reversibel disertai dengan penggandaan longsoran pembawa muatan digunakan dalam fotodioda, seperti pada dioda semikonduktor zener, maka arus foto, dan karenanya sensitivitas, akan sangat meningkat.

Sensitivitas fotodioda longsoran dapat beberapa kali lipat lebih tinggi daripada fotodioda konvensional (untuk germanium — 200 — 300 kali, untuk silikon — 104 — 106 kali).

Fotodioda longsor adalah perangkat fotovoltaik berkecepatan tinggi dengan rentang frekuensi hingga 10 GHz. Kerugian dari fotodioda avalanche adalah tingkat kebisingan yang lebih tinggi dibandingkan dengan fotodioda konvensional.

Beras. 2. Diagram rangkaian fotoresistor (a), UGO (b), energi (c) dan karakteristik arus-tegangan (d) fotoresistor

Selain fotodioda, fotoresistor (Gambar 2), fototransistor dan fototiristor digunakan, yang menggunakan efek fotolistrik internal. Kerugian karakteristiknya adalah inersia yang tinggi (membatasi frekuensi operasi fgr <10 — 16 kHz), yang membatasi penggunaannya.

Desain phototransistor mirip dengan transistor konvensional yang memiliki jendela di mana alasnya dapat diterangi. Fototransistor UGO — sebuah transistor dengan dua anak panah menunjuk padanya.

LED dan fotodioda sering digunakan berpasangan.Dalam hal ini, mereka ditempatkan dalam satu wadah sehingga area fotosensitif dari fotodioda terletak di seberang area pancaran LED. Perangkat semikonduktor yang menggunakan pasangan fotodioda LED disebut optocoupler (Gbr. 3).

Beras. 3. Optocoupler: 1 — LED, 2 — fotodioda

Sirkuit input dan output pada perangkat semacam itu sama sekali tidak terhubung secara elektrik, karena sinyal ditransmisikan oleh radiasi optik.

Potapov L.A.