Valodiodit: laite, ominaisuudet ja toimintaperiaatteet
Yksinkertaisin valodiodi on tavanomainen puolijohdediodi, joka tarjoaa mahdollisuuden vaikuttaa optiseen säteilyyn p — n -liitoksessa.
Tasapainotilassa, kun säteilyvuo puuttuu kokonaan, valodiodin kantoaaltopitoisuus, potentiaalijakauma ja energiakaistakaavio vastaavat täysin tavallista pn-rakennetta.
Altistuessaan säteilylle suunnassa, joka on kohtisuorassa p-n-liitoksen tasoon nähden, kaistanleveyttä suuremman energian fotonien absorption seurauksena n-alueelle ilmestyy elektroni-reikäpareja. Näitä elektroneja ja reikiä kutsutaan valokantoaineiksi.
Valokantajadiffusion aikana syvälle n-alueelle elektronien ja reikien pääfraktiolla ei ole aikaa rekombinoitua ja saavuttaa p-n-liitoksen rajan. Tässä p - n -liitoksen sähkökenttä erottaa valokantajat ja reiät kulkevat p-alueelle, eivätkä elektronit voi voittaa siirtymäkenttää ja kerääntyä p - n -liitoksen ja n-alueen rajalle.
Siten p—n-liitoksen läpi kulkeva virta johtuu vähemmistökantoaaltojen — reikien ajautumisesta. Valokantajien ryömintävirtaa kutsutaan valovirraksi.
Valodiodit voivat toimia yhdessä kahdesta tilasta — ilman ulkoista sähköenergian lähdettä (valogeneraattoritila) tai ulkoisen sähköenergian lähteen kanssa (valomuunnintila).
Valogeneraattoritilassa toimivia valodiodeja käytetään usein virtalähteinä, jotka muuntavat aurinkoenergian sähköenergiaksi. Niitä kutsutaan aurinkokennoiksi ja ne ovat osa avaruusaluksissa käytettyjä aurinkopaneeleja.
Pii-aurinkokennojen hyötysuhde on noin 20 %, kun taas kalvoaurinkokennoissa se voi olla paljon tärkeämpää. Tärkeitä aurinkokennojen teknisiä parametreja ovat niiden lähtötehon suhde massaan ja aurinkokennon käyttämään pinta-alaan. Nämä parametrit saavuttavat arvot 200 W / kg ja 1 kW / m2.
Kun valodiodi toimii valomuunnostilassa, virtalähde E on kytketty piiriin estosuuntaan (kuva 1, a). Valodiodin ominaiskäyrän I — V käänteisiä haaroja käytetään eri valaistustasoilla (kuva 1, b).
Riisi. 1. Kaavio valodiodin kytkemisestä päälle valomuunnostilassa: a — kytkentäpiiri, b — I — V valodiodin ominaisuus
Kuormitusvastuksen Rn virta ja jännite voidaan määrittää graafisesti valodiodin virta-jännite-ominaisuuden ja vastuksen Rn resistanssia vastaavan kuormituslinjan leikkauspisteistä. Valaistuksen puuttuessa valodiodi toimii tavanomaisen diodin tilassa. Germaniumvalodiodien tumma virta on 10 - 30 μA, piivalodiodien 1 - 3 μA.
Jos valodiodeissa, kuten puolijohde-zener-diodeissa, käytetään palautuvaa sähköhäiriötä, johon liittyy varauksenkuljettajien lumivyöry, niin valovirta ja siten herkkyys lisääntyvät huomattavasti.
Lumivyöryn valodiodien herkkyys voi olla useita suuruusluokkia suurempi kuin perinteisten valodiodien (germaniumille - 200 - 300 kertaa, piille - 104 - 106 kertaa).
Avalanche-valodiodit ovat nopeita aurinkosähkölaitteita, joiden taajuusalue on jopa 10 GHz. Lumivyöryvalodiodien haittana on tavallisiin valodiodeihin verrattuna korkeampi melutaso.
Riisi. 2. Valovastuksen (a), UGO:n (b), energian (c) ja valovastuksen virta-jännite-ominaisuuksien (d) kytkentäkaavio
Valodiodien lisäksi käytetään valovastuksia (kuva 2), valotransistoreja ja fototyristoreita, jotka käyttävät sisäistä valosähköistä efektiä. Niiden tyypillinen haittapuoli on niiden suuri inertia (rajoittava toimintataajuus fgr <10 - 16 kHz), mikä rajoittaa niiden käyttöä.
Valotransistorin rakenne on samanlainen kuin perinteinen transistori, jonka kotelossa on ikkuna, jonka läpi pohja voidaan valaista. UGO-valotransistori — transistori, jossa on kaksi nuolta.
LEDejä ja valodiodeja käytetään usein pareittain.Tässä tapauksessa ne sijoitetaan yhteen koteloon siten, että valodiodin valoherkkä alue sijaitsee vastapäätä LEDin säteilevää aluetta. Puolijohdelaitteita, jotka käyttävät LED-valodiodiparia, kutsutaan optoerottimet (Kuva 3).
Riisi. 3. Optoerotin: 1 — LED, 2 — valodiodi
Tällaisten laitteiden tulo- ja lähtöpiirejä ei ole kytketty sähköisesti millään tavalla, koska signaali välittyy optisen säteilyn avulla.
Potapov L.A.