Конспект лекций для студентов специальности 190901 «Системы обеспечения движения поездов»

17.2. Фотодиоды

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид фотодиода представлены на рис. 17.6.

а  условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу (см. рис. 1.3).

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-n перехода и n области. Таким образом, ток через p-n переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов называется фото ЭДС E_ф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – с внешним источником электрической энергии (режим преобразователя), либо без внешнего источника электрической энергии (режим генератора).

При работе фотодиода в режиме преобразователя на него подают обратное напряжение (рис. 17.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных уровнях освещенности Ф, Ф1, Ф2 (рис. 17.7, б).

В зависимости от уровня освещённости изменяется обратный ток фотодиода, и на резисторе нагрузки изменяется напряжение. В системах железнодорожной автоматики по такой схеме включён германиевый фотодатчик в приборах обнаружения нагретой буксы (германий чувствителен к ИК лучам, а кремний – к видимому свету).

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей. Выходное напряжение солнечной батареи сильно зависит от уровня освещённости. Чтобы получить стабильное напряжение в нагрузке, солнечную батарею используют совместно с аккумулятором. Схема солнечно-аккумуляторной батареи представлена на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципиальная схема солнечно-аккумуляторной батареи

При максимальной освещённости солнечная батарея питает нагрузку и заряжает аккумулятор. В темноте нагрузка питается только от аккумулятора, а чтобы аккумулятор не разряжался на солнечную батарею, в схеме установлен диод VD1.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м² соответственно.

Более подробные сведения о фотодиодах приведены в литературе [4, 13].