Фотодиоды

Фотодиодыпредставляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда(нарисовать структуру), проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называетсяфотодиодным(рис.4.3). Вольтамперные характеристикиI=f(U) при Ф=constдля фотодиодного режима (рис.4.4) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный токI₀, который называюттемновым. Под действием светового потока ток в диоде возрастает и характеристики располагаются выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (участки резкого увеличения тока на характеристике). Энергетические характеристики фотодиодаI=f(Ф) приU=constлинейны и мало зависят от напряжения (рис.4.5).

Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки мА на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен МГц. А у фотодиодов со структурой p-i-nграничные частоты повышаются до десятков ГГц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10-30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни мкА. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее чувствительных к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляется по планарной технологии (рис.4.6).

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодовпроисходит лавинное размножение носителей вp-n-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. Вфотодиодах с барьером Шоткиимеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС, о чем пойдет речь далее.

Фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы,иначе называемыевентильнымиилифотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны, воздействуя наp-n-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие вp- иn-областях дырки и электроны диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носителей заряда, возникших в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например для электронов, возникших вp-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны вn-область. Аналогично дырки перебрасываются полем изn-области вp-область. А для основных носителей поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т.е. дырки остаются вp-области, а электроны – вn-области (рис.4.7).

В результате такого процесса в n- иp-областях накапливаются избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называютфото-ЭДС(Е_ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис.4.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис.4.9) возникает фототокI_ф=Е_ф/(R_н+R_i), гдеR_i– внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает уже более 0,5В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких кВт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др.