Photodiodes: उपकरण, विशेषताओं और संचालन के सिद्धांत

सबसे सरल फोटोडायोड एक पारंपरिक अर्धचालक डायोड है जो पी-एन जंक्शन पर ऑप्टिकल विकिरण को प्रभावित करने की क्षमता प्रदान करता है।

संतुलन अवस्था में, जब विकिरण प्रवाह पूरी तरह से अनुपस्थित होता है, तो फोटोडायोड की वाहक सांद्रता, संभावित वितरण और ऊर्जा बैंड आरेख पूरी तरह से सामान्य पीएन संरचना के अनुरूप होते हैं।

पी-एन-जंक्शन के विमान के लंबवत दिशा में विकिरण के संपर्क में आने पर, बैंड चौड़ाई से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन के अवशोषण के परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े एन-क्षेत्र में दिखाई देते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को फोटोकैरियर कहा जाता है।

एन-क्षेत्र में गहरे फोटोकैरियर प्रसार के दौरान, इलेक्ट्रॉनों और छेदों के मुख्य अंश के पास पुनर्संयोजन का समय नहीं होता है और पी-एन जंक्शन सीमा तक पहुंच जाता है। यहां, फोटोकैरियर को पी-एन जंक्शन के विद्युत क्षेत्र से अलग किया जाता है और छेद पी क्षेत्र में जाते हैं, और इलेक्ट्रॉन संक्रमण क्षेत्र को पार नहीं कर सकते हैं और पी-एन जंक्शन और एन क्षेत्र की सीमा पर जमा हो सकते हैं।

इस प्रकार, पी-एन जंक्शन के माध्यम से वर्तमान अल्पसंख्यक वाहकों-छिद्रों के बहाव के कारण होता है। फोटोकैरियर के बहाव प्रवाह को फोटोकरंट कहा जाता है।

फोटोकैरियर-होल पी-क्षेत्र को एन-क्षेत्र के संबंध में सकारात्मक रूप से चार्ज करते हैं, और फोटोकैरियर-इलेक्ट्रॉन-एन-क्षेत्र को पी-क्षेत्र के संबंध में नकारात्मक रूप से चार्ज करते हैं। परिणामी संभावित अंतर को फोटोइलेक्ट्रिक क्षमता Ef कहा जाता है। फोटोडायोड में उत्पन्न धारा उलट जाती है, इसे कैथोड से एनोड की ओर निर्देशित किया जाता है, और इसका मूल्य जितना अधिक होता है, रोशनी उतनी ही अधिक होती है।

Photodiodes दो में से एक मोड में काम कर सकता है - विद्युत ऊर्जा के बाहरी स्रोत के बिना (फोटोजेनरेटर मोड) या विद्युत ऊर्जा के बाहरी स्रोत (फोटोकनवर्टर मोड) के साथ।

फोटोजेनरेटर मोड में काम करने वाले फोटोडायोड्स का उपयोग अक्सर बिजली स्रोतों के रूप में किया जाता है जो सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। उन्हें सौर सेल कहा जाता है और वे अंतरिक्ष यान में उपयोग किए जाने वाले सौर पैनलों का हिस्सा हैं।

सिलिकॉन सोलर सेल की दक्षता लगभग 20% है, जबकि फिल्म सोलर सेल के लिए यह कहीं अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है। सौर सेलों के महत्वपूर्ण तकनीकी पैरामीटर उनकी उत्पादन शक्ति का द्रव्यमान और सौर सेल के कब्जे वाले क्षेत्र का अनुपात है। ये पैरामीटर क्रमशः 200 W / kg और 1 kW / m2 के मान तक पहुँचते हैं।

जब फोटोडायोड फोटोकनवर्जन मोड में संचालित होता है, तो बिजली की आपूर्ति ई ब्लॉकिंग दिशा में सर्किट से जुड़ी होती है (चित्र 1, ए)। फोटोडायोड की I-V विशेषता की रिवर्स शाखाएं रोशनी के विभिन्न स्तरों पर उपयोग की जाती हैं (चित्र 1, बी)।

चावल। 1. फोटोडायोड को फोटोकनवर्जन मोड में स्विच करने की योजना: ए - स्विचिंग सर्किट, बी - आई - वी फोटोडायोड की विशेषता

लोड रेसिस्टर आरएन में करंट और वोल्टेज को ग्राफिक रूप से फोटोडायोड के करंट-वोल्टेज विशेषता के चौराहे बिंदुओं और रेसिस्टर आरएन के प्रतिरोध के अनुरूप लोड लाइन से निर्धारित किया जा सकता है। रोशनी के अभाव में, फोटोडायोड पारंपरिक डायोड के मोड में काम करता है। जर्मेनियम फोटोडायोड के लिए डार्क करंट 10-30 μA है, सिलिकॉन फोटोडायोड के लिए 1-3 μA है।

यदि अर्धचालक जेनर डायोड के रूप में फोटोडायोड में आवेश वाहकों के हिमस्खलन गुणन के साथ एक प्रतिवर्ती विद्युत विखंडन का उपयोग किया जाता है, तो फोटोकरंट, और इसलिए संवेदनशीलता, बहुत बढ़ जाएगी।

हिमस्खलन फोटोडायोड की संवेदनशीलता पारंपरिक फोटोडायोड (जर्मेनियम के लिए - 200-300 गुना, सिलिकॉन के लिए - 104-106 गुना) की तुलना में अधिक परिमाण के कई आदेश हो सकते हैं।

हिमस्खलन फोटोडायोड 10 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्ति रेंज वाले उच्च गति वाले फोटोवोल्टिक उपकरण हैं। पारंपरिक फोटोडायोड की तुलना में हिमस्खलन फोटोडायोड का नुकसान उच्च शोर स्तर है।

चावल। 2. फोटोरेसिस्टर (ए), यूजीओ (बी), ऊर्जा (सी) और फोटोरेसिस्टर की वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं (डी) का सर्किट आरेख

फोटोडायोड के अलावा, फोटोरेसिस्टर्स (चित्र 2), फोटोट्रांसिस्टर्स और फोटोथायरिस्टर्स का उपयोग किया जाता है, जो आंतरिक फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करते हैं। उनका विशिष्ट नुकसान उनकी उच्च जड़ता (परिचालन आवृत्ति fgr <10 - 16 kHz को सीमित करना) है, जो उनके उपयोग को सीमित करता है।

फोटोट्रांसिस्टर का डिज़ाइन एक पारंपरिक ट्रांजिस्टर के समान है जिसमें केस में एक खिड़की होती है जिसके माध्यम से आधार को रोशन किया जा सकता है। यूजीओ फोटोट्रांसिस्टर - एक ट्रांजिस्टर जिसमें दो तीर इंगित करते हैं।

एलईडी और फोटोडायोड का उपयोग अक्सर जोड़े में किया जाता है।इस मामले में, उन्हें एक आवास में रखा जाता है ताकि फोटोडायोड का सहज क्षेत्र एलईडी के उत्सर्जक क्षेत्र के विपरीत स्थित हो। एलईडी-फोटोडायोड के जोड़े का उपयोग करने वाले अर्धचालक उपकरण कहलाते हैं ऑप्टोकॉप्लर्स (चित्र 3)।

चावल। 3. ऑप्टोकॉप्लर: 1 — एलईडी, 2 — फोटोडायोड

ऐसे उपकरणों में इनपुट और आउटपुट सर्किट किसी भी तरह से विद्युत रूप से जुड़े नहीं होते हैं, क्योंकि सिग्नल ऑप्टिकल विकिरण द्वारा प्रेषित होता है।

पोटापोव एल.ए.