Фотодиод

     Фотодиод

     1-сурет.  Фотодиод 
 

     2-сурет.  ФД-10-100 активті ауданы -10х10 мм² 

     3-сурет.  ФД1604 (тордың активті ауданы 1,2х4мм2 — 16шт) 

     4-сурет.  Фотодиодының  графикалық шартты белгісі 

     Фотодиод. Кері тогы р-п  өтпесінің жарықталынуына  байланысты  өзгеріп отыратын  шала  өткізгішті  диодты  фотодиод деп атайды. Фотодиодтар  екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланылады: сыртқы  қорек көзінсіз фотогенератор ретінде  және сыртқы қорек көзімен фототүрлендіргіш ретінде.

     Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-п  өтпесінен  тұрады. Бірақ түйістің  ауданы басқа  диодтарға  қарағанда  әлдеқайда үлкен болады,  өйткені  сәуле осы ауданға  перпендикуляр  түсуі керек (5-сурет). р-п  өтпесіне түскен  сәуле фотондары  қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік  аймаққа  өтеді. Осының  салдарынан  екі шала өткізгіште  де заряд  тасушы  қос бөлшектердің (электрондар  мен  кемтіктердің) саны көбейеді.

     5-сурет.  Фотодиодтың  сұлбалық  құрылысы   

     Түйістік  потенциалдар  айырымының  әсерінен  п- типті шала өткізгіштегі негізгі  емес заряд тасымалдаушылар –  кемтіктер р-типті  шала өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар – электрондар  п- типті  шала өткізгішке  өтеді. Сөйтіп, п-типті  шала өткізгіште  артық электрондар, ал р-типті  шала өткізгіште  артық кемтіктер  пайда болады.  Бұл  фотодиодтың қысқыштарында потенциалдар айырымын, яғни фотоэлектрлік  ЭҚК-ті тудырады. Фотоэлектрлік  ЭҚК-тің мәні  көптеген фотодиодтарға 0,5...0,9  В шамасында болады және сәуле ағымынан тәуелді, бірақ  сәуле  ағыны белгілі бір шамаға жеткенде р-п өтпесі заряд тасымалдаушыларға  қанығады да, фотоэлектрлік  ЭҚК одан әрі өспейді. Фотодиодтың  фототүрлендіргіштік күйіндегі  жарықтық  сипаттамасы  фототоқ пен жарық ағынының  арасындағы  тікелей  сызықты тәуелділікті  көрсетеді(5.1-сурет).  

     5.1- сурет.  Жарықталмаған (1)  және  жарықталған (2) фотодиодтың  вольт-амперлік  сипаттамасы 

     Фотогенератор  әлпінде  істейтін фотодиодтар күн  сәулелерінің энергиясын электр  энергиясына  түрлендіретін  қорек көздері  ретінде  пайдаланылады. Оларды  күн сәулелік  элементтер  деп  атап, олардан күн сәулелік  батарея  құрайды.  Бірақ мұндай  күн  сәулелік  элементтердің  пайдалы  әсер коэффициенті  өте төмен  - 20 %  шамасында  ғана болады.

     Егер  фотодиодты  кернеу  көзіне қосып  және жарықтандырса, онда тура кернеу  берілгенде  оның вольт-амперлік  сипаттамасының (5.1-сурет)  АВ бөлігінің генератор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде  оның тогының жарықтандырылмаған фотодиодқа қарағанда едәуір  өсетінін  көруге болады.  

                               а  ә 

     6-сурет.  Фотодиодтың  фотогенераторлық (а)  және       

        фототүрлендіргіштік (ә)  күйлерінде  қосылу схемасы 

     Фотодиодтың  жарықтық  сипаттамасы U_Φ = f(I_Φ) жүктеме кедергі R_ж =0 болғанда  жарық ағынының  кіші  мәндерінде   тікелей сызықты болады. Жарық ағынының  шамасы өскенде тікелей тәуелділіктен ауысу жартылай өткізгіштің көлемдік кедергісі мен р-п өткелінің кедергісі бар болуынан.

     Өткел арқылы жүретін негізгі емес заряд  тасымалдаушылардан  құралатын  фототоқ I_Φ р-п өткелінің кері тоғы I_о -мен бағыттас болады.  Жүктеме кедергі R_ж де U_ж кернеудің түсуін  тудырады. Осы кернеу  потенциалдық  тосқауылдың кішіреюіне  әкеліп соғады да, өткел арқылы I_Φ  тогына қарама –қарсы  бағытталған тікелей ток пайда болады. Сонымен сыртқы тізбектегі ток, 
 

     мұнда: кернеу  U=U_R=I*R_ж .

     соңғы  формуланы  логарифмдесек, 
 

     Осы алынған теңдік  фотодиодтың  вольт –амперлік  сипаттамасын бейнелейді. Бос жүрістік  күйде І=0, 
 
 

     Фотодиодтардың  интегралдық  сезгіштігі және қараңғылық тогы негізгі  параметрлері болып  есептелінеді. Силицийдан және  германийдан  жасалған фотодиодтардың  интегралдық  сезгіштігі 3 мА/лм  және 20 мА/лм, ал қараңғылық  токтары сәйкесінше  1...3 мкА және 10...30 мкА шамасында болады. 

        Фотодиодтың   негізгі параметрлері:

1. Номиналды кернеу;
2. Максималды  берілетін кері кернеу;
3. Интегралдық сезгіштігі;
4. Шекті жиілігі.

     Фотодиодтар фотометрияда, фотоколориметрияда және телекескіндерді беру  құрылғыларында  қолданылады.