फोटोडायोड्स: डिव्हाइस, वैशिष्ट्ये आणि ऑपरेशनची तत्त्वे
सर्वात सोपा फोटोडायोड हा पारंपारिक सेमीकंडक्टर डायोड आहे जो p — n जंक्शनवर ऑप्टिकल रेडिएशनवर प्रभाव टाकण्याची क्षमता प्रदान करतो.
समतोल स्थितीत, जेव्हा रेडिएशन फ्लक्स पूर्णपणे अनुपस्थित असतो, तेव्हा वाहक एकाग्रता, संभाव्य वितरण आणि फोटोडिओडचे ऊर्जा बँड आकृती नेहमीच्या pn संरचनेशी पूर्णपणे जुळते.
p-n-जंक्शनच्या समतलाला लंब असलेल्या दिशेने रेडिएशनच्या संपर्कात आल्यावर, बँडच्या रुंदीपेक्षा जास्त ऊर्जा असलेल्या फोटॉनच्या शोषणाच्या परिणामी, n-क्षेत्रात इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या दिसतात. या इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांना फोटोकॅरियर्स म्हणतात.
n-क्षेत्रात खोलवर असलेल्या फोटोकॅरियरच्या प्रसारादरम्यान, इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या मुख्य अंशाला पुन्हा एकत्र येण्यास वेळ नसतो आणि ते p-n जंक्शन सीमेपर्यंत पोहोचतात. येथे, फोटोकॅरियर्स p — n जंक्शनच्या विद्युत क्षेत्राद्वारे विभक्त केले जातात आणि छिद्र p प्रदेशात जातात आणि इलेक्ट्रॉन संक्रमण क्षेत्रावर मात करू शकत नाहीत आणि p — n जंक्शन आणि n क्षेत्राच्या सीमेवर जमा होऊ शकत नाहीत.
अशाप्रकारे, p — n जंक्शनमधून प्रवाह हा अल्पसंख्याक वाहक — छिद्रांच्या प्रवाहामुळे होतो. फोटोकॅरियर्सच्या प्रवाहाला फोटोकरंट म्हणतात.
फोटोडायोड्स दोनपैकी एका मोडमध्ये कार्य करू शकतात — विद्युत उर्जेच्या बाह्य स्रोताशिवाय (फोटोजनरेटर मोड) किंवा विद्युत उर्जेच्या बाह्य स्रोतासह (फोटोकन्व्हर्टर मोड).
फोटोजनरेटर मोडमध्ये कार्यरत फोटोडिओड्स बहुतेकदा उर्जा स्त्रोत म्हणून वापरले जातात जे सौर ऊर्जेला विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करतात. त्यांना सौर पेशी म्हणतात आणि ते अंतराळ यानामध्ये वापरल्या जाणार्या सौर पॅनेलचा भाग आहेत.
सिलिकॉन सोलर सेलची कार्यक्षमता सुमारे 20% आहे, तर फिल्म सोलर सेलसाठी ती अधिक महत्त्वाची असू शकते. सौर पेशींचे महत्त्वाचे तांत्रिक मापदंड म्हणजे त्यांच्या आउटपुट पॉवरचे वस्तुमान आणि सौर सेलने व्यापलेले क्षेत्र. हे पॅरामीटर्स अनुक्रमे 200 W / kg आणि 1 kW / m2 च्या मूल्यांपर्यंत पोहोचतात.
जेव्हा फोटोडिओड फोटोकन्व्हर्जन मोडमध्ये कार्य करते, तेव्हा विद्युत पुरवठा ई ब्लॉकिंग दिशेने सर्किटशी जोडलेला असतो (चित्र 1, अ). फोटोडायोडच्या I — V च्या उलट शाखांचा वापर प्रकाशाच्या वेगवेगळ्या स्तरांवर केला जातो (चित्र 1, b).
तांदूळ. 1. फोटो कन्व्हर्जन मोडमध्ये फोटोडायोड चालू करण्याची योजना: a — स्विचिंग सर्किट, b — I — V फोटोडायोडचे वैशिष्ट्य
लोड रेझिस्टर Rn मधील वर्तमान आणि व्होल्टेज फोटोडायोडच्या वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्याच्या छेदनबिंदूंवरून आणि रेझिस्टर Rn च्या प्रतिकाराशी संबंधित लोड लाइनवरून ग्राफिक पद्धतीने निर्धारित केले जाऊ शकते. प्रकाशाच्या अनुपस्थितीत, फोटोडिओड पारंपारिक डायोडच्या मोडमध्ये कार्य करतो. जर्मेनियम फोटोडायोड्ससाठी गडद प्रवाह 10 - 30 μA आहे, सिलिकॉन फोटोडायोडसाठी 1 - 3 μA आहे.
सेमीकंडक्टर झेनर डायोड्सप्रमाणे फोटोडायोड्समध्ये चार्ज वाहकांच्या हिमस्खलनाच्या गुणाकारासह उलट करता येण्याजोगा विद्युत खंडित झाल्यास, फोटोकरंट आणि त्यामुळे संवेदनशीलता मोठ्या प्रमाणात वाढेल.
हिमस्खलन फोटोडायोड्सची संवेदनशीलता पारंपारिक फोटोडायोड्सपेक्षा (जर्मेनियमसाठी - 200 - 300 वेळा, सिलिकॉनसाठी - 104 - 106 वेळा) पेक्षा जास्त प्रमाणात असू शकते.
हिमस्खलन फोटोडायोड्स 10 GHz पर्यंत वारंवारता श्रेणीसह हाय-स्पीड फोटोव्होल्टेइक उपकरणे आहेत. हिमस्खलन फोटोडायोड्सचा तोटा म्हणजे पारंपारिक फोटोडायोड्सच्या तुलनेत उच्च आवाज पातळी.
तांदूळ. 2. फोटोरेसिस्टरचे सर्किट डायग्राम (a), UGO (b), ऊर्जा (c) आणि फोटोरेसिस्टरचे वर्तमान-व्होल्टेज वैशिष्ट्ये (d)
फोटोडायोड्स व्यतिरिक्त, फोटोरेसिस्टर (आकृती 2), फोटोट्रान्सिस्टर्स आणि फोटोथायरिस्टर्स वापरले जातात, जे अंतर्गत फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव वापरतात. त्यांचा वैशिष्ट्यपूर्ण तोटा म्हणजे त्यांची उच्च जडत्व (मर्यादित ऑपरेटिंग वारंवारता fgr <10 — 16 kHz), ज्यामुळे त्यांचा वापर मर्यादित होतो.
फोटोट्रांझिस्टरची रचना पारंपारिक ट्रान्झिस्टरसारखीच असते ज्याच्या केसमध्ये खिडकी असते ज्याद्वारे बेस प्रकाशित केला जाऊ शकतो. UGO फोटोट्रांझिस्टर - दोन बाणांसह एक ट्रान्झिस्टर.
LEDs आणि photodiodes सहसा जोड्यांमध्ये वापरले जातात.या प्रकरणात, ते एका घरामध्ये ठेवलेले आहेत जेणेकरून फोटोडिओडचे प्रकाशसंवेदनशील क्षेत्र एलईडीच्या उत्सर्जित क्षेत्राच्या समोर स्थित असेल. LED-फोटोडायोड्सच्या जोड्यांचा वापर करून सेमीकंडक्टर उपकरणांना म्हणतात ऑप्टोकपलर (चित्र 3).
तांदूळ. 3. ऑप्टोकपलर: 1 — LED, 2 — फोटोडायोड
अशा उपकरणांमधील इनपुट आणि आउटपुट सर्किट कोणत्याही प्रकारे इलेक्ट्रिकली कनेक्ट केलेले नाहीत, कारण सिग्नल ऑप्टिकल रेडिएशनद्वारे प्रसारित केला जातो.
पोटापोव्ह एल.ए.