포토 다이오드 : 장치, 특성 및 작동 원리
가장 단순한 포토다이오드는 p-n 접합에서 광학 방사에 영향을 주는 기능을 제공하는 기존 반도체 다이오드입니다.
평형 상태에서 방사선 플럭스가 완전히 없을 때 포토다이오드의 캐리어 농도, 전위 분포 및 에너지 밴드 다이어그램은 일반적인 pn 구조와 완전히 일치합니다.
p-n 접합면에 수직인 방향으로 방사선에 노출되면 밴드 폭보다 큰 에너지를 가진 광자가 흡수되어 전자-정공 쌍이 n 영역에 나타납니다. 이러한 전자와 정공을 포토캐리어라고 합니다.
n 영역 깊숙이 광 캐리어가 확산되는 동안 전자와 정공의 주요 부분은 재결합할 시간이 없으며 p-n 접합 경계에 도달합니다. 여기서 p-n 접합의 전계에 의해 광전반체가 분리되고 p 영역으로 정공이 통과하게 되고 전자는 전이장을 극복하지 못하고 p-n 접합과 n 영역의 경계에 쌓이게 된다.
따라서 p-n 접합을 통과하는 전류는 소수 캐리어-정공의 드리프트 때문입니다. 포토 캐리어의 드리프트 전류를 광전류라고합니다.
포토다이오드는 외부 전기 에너지원 없이(광발전기 모드) 또는 외부 전기 에너지원으로(광변환기 모드) 두 가지 모드 중 하나로 작동할 수 있습니다.
광제너레이터 모드에서 작동하는 포토다이오드는 종종 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전원으로 사용됩니다. 그것들은 태양 전지라고 불리며 우주선에 사용되는 태양 전지판의 일부입니다.
실리콘 태양 전지의 효율은 약 20%인 반면 필름 태양 전지의 경우 효율이 훨씬 더 중요할 수 있습니다. 태양 전지의 중요한 기술적 매개변수는 태양 전지가 차지하는 질량과 면적에 대한 출력 전력의 비율입니다. 이 매개 변수는 각각 200W / kg 및 1kW / m2의 값에 도달합니다.
광다이오드가 광변환 모드에서 작동할 때 전원 공급 장치 E는 차단 방향으로 회로에 연결됩니다(그림 1, a). 포토 다이오드의 I-V 특성의 역 분기는 다양한 조명 수준에서 사용됩니다 (그림 1, b).
쌀. 1. 광 변환 모드에서 광다이오드를 켜는 방식: a — 스위칭 회로, b — I — 광다이오드의 V 특성
부하 저항 Rn의 전류 및 전압은 광다이오드의 전류-전압 특성과 저항 Rn의 저항에 해당하는 부하 라인의 교차점으로부터 그래픽으로 결정할 수 있습니다. 조명이 없는 경우 포토다이오드는 기존 다이오드 모드로 작동합니다. 게르마늄 포토다이오드의 암전류는 10 ~ 30μA이고 실리콘 포토다이오드의 경우 1 ~ 3μA입니다.
반도체 제너 다이오드에서와 같이 전하 캐리어의 눈사태 증배를 수반하는 가역적 전기적 고장이 포토다이오드에서 사용되는 경우 광전류 및 그에 따른 감도가 크게 증가합니다.
Avalanche 포토다이오드의 감도는 기존 포토다이오드보다 몇 배 더 높을 수 있습니다(게르마늄의 경우 — 200 — 300배, 실리콘의 경우 — 104 — 106배).
Avalanche 포토다이오드는 주파수 범위가 최대 10GHz인 고속 광전지 장치입니다. Avalanche 포토다이오드의 단점은 기존 포토다이오드에 비해 노이즈 레벨이 높다는 것입니다.
쌀. 2. 포토레지스터(a), UGO(b), 포토레지스터의 에너지(c) 및 전류-전압 특성(d)의 회로도
광다이오드 외에도 내부 광전 효과를 사용하는 포토레지스터(그림 2), 포토트랜지스터 및 포토사이리스터가 사용됩니다. 그들의 특징적인 단점은 높은 관성(작동 주파수 fgr <10 - 16kHz 제한)으로 인해 사용이 제한됩니다.
포토트랜지스터의 설계는 베이스를 밝힐 수 있는 창을 가진 기존의 트랜지스터와 유사합니다. UGO 포토트랜지스터 — 두 개의 화살표가 가리키는 트랜지스터.
LED와 포토다이오드는 종종 쌍으로 사용됩니다.이 경우 포토 다이오드의 감광 영역이 LED 발광 영역 반대편에 위치하도록 하나의 하우징에 배치됩니다. LED-광다이오드 쌍을 사용하는 반도체 장치를 호출합니다. 옵토커플러 (그림 3).
쌀. 3. 옵토커플러: 1 — LED, 2 — 포토다이오드
이러한 장치의 입력 및 출력 회로는 신호가 광 복사에 의해 전송되기 때문에 전기적으로 연결되지 않습니다.
포타포프 L.A.