フォトダイオード: デバイス、特性、動作原理
最も単純なフォトダイオードは、p-n 接合上の光放射に影響を与える機能を提供する従来の半導体ダイオードです。
放射束が完全に存在しない平衡状態では、フォトダイオードのキャリア濃度、電位分布、エネルギーバンド図は通常の pn 構造に完全に対応します。
p-n 接合の面に垂直な方向に放射線を照射すると、バンド幅よりも大きなエネルギーを持つ光子の吸収の結果、電子と正孔のペアが n 領域に現れます。これらの電子と正孔は光キャリアと呼ばれます。
光キャリアが n 領域に深く拡散する際、電子と正孔の主要部分は再結合する時間がなく、p-n 接合境界に到達します。ここで、光キャリアはp-n接合の電場によって分離され、正孔はp領域に入りますが、電子は遷移電界を克服できず、p-n接合とn領域の境界に蓄積されます。
したがって、p-n 接合を流れる電流は、少数キャリア、つまり正孔のドリフトによるものです。光キャリアのドリフト電流は光電流と呼ばれます。
フォトダイオードは、外部電気エネルギー源なし (フォトジェネレータ モード) または外部電気エネルギー源あり (フォトコンバータ モード) の 2 つのモードのいずれかで動作できます。
光発電モードで動作するフォトダイオードは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電源としてよく使用されます。それらは太陽電池と呼ばれ、宇宙船で使用されるソーラーパネルの一部です。
シリコン太陽電池の効率は約 20% ですが、フィルム太陽電池の場合、効率はさらに重要になります。太陽電池の重要な技術パラメータは、太陽電池の質量および占有面積に対する出力電力の比率です。これらのパラメータは、それぞれ200 W / kgと1 kW / m2の値に達します。
フォトダイオードが光変換モードで動作する場合、電源 E は回路に遮断方向に接続されます (図 1、a)。フォトダイオードの I - V 特性の逆分岐は、さまざまな照度レベルで使用されます (図 1、b)。
米。 1. 光変換モードでフォトダイオードをオンにするスキーム: a — スイッチング回路、b — フォトダイオードの I — V 特性
負荷抵抗 Rn の電流と電圧は、フォトダイオードの電流電圧特性と抵抗 Rn の抵抗に対応する負荷線の交点からグラフで求めることができます。照明がない場合、フォトダイオードは従来のダイオードのモードで動作します。ゲルマニウム フォトダイオードの暗電流は 10 ～ 30 μA、シリコン フォトダイオードの場合は 1 ～ 3 μA です。
半導体ツェナーダイオードのように、電荷キャリアのなだれ増倍を伴う可逆的な電気的降伏がフォトダイオードで使用される場合、光電流、したがって感度が大幅に増加します。
アバランシェフォトダイオードの感度は、従来のフォトダイオードの感度よりも数桁高くなります（ゲルマニウムの場合 - 200 ～ 300 倍、シリコンの場合 - 104 ～ 106 倍）。
アバランシェ フォトダイオードは、最大 10 GHz の周波数範囲を持つ高速光起電力デバイスです。アバランシェフォトダイオードの欠点は、従来のフォトダイオードと比較してノイズレベルが高いことです。
米。 2. フォトレジスタの回路図 (a)、UGO (b)、エネルギー (c)、およびフォトレジスタの電流電圧特性 (d)
フォトダイオードに加えて、内部光電効果を利用するフォトレジスタ（図2）、フォトトランジスタ、フォトサイリスタも使用されます。それらの特性上の欠点は、慣性が大きいこと (動作周波数 fgr <10 ～ 16 kHz に制限される) であり、そのため使用が制限されます。
フォトトランジスタの設計は、ケース内にベースを照明できる窓を備えた従来のトランジスタに似ています。 UGO フォトトランジスタ — 2 つの矢印が指しているトランジスタ。
LED とフォトダイオードはペアで使用されることがよくあります。この場合、フォトダイオードの感光領域がLEDの発光領域の反対側に位置するように、それらは1つのハウジング内に配置されます。ペアの LED フォトダイオードを使用する半導体デバイスは、と呼ばれます。 フォトカプラ (図3)。
米。 3. フォトカプラ: 1 — LED、2 — フォトダイオード
このようなデバイスの入力回路と出力回路は、信号が光放射によって送信されるため、いかなる形でも電気的に接続されていません。
ポタポフ LA