Fotodiodo - Modos de operación, corrientes y voltajes

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Declaración de problema

Considere un fotodiodo pin, cuya región de agotamiento, perfil de carga espacial y perfil de campo eléctrico se pueden visualizar de la siguiente manera (captura de pantalla de Servicio de Applet de Semiconductores por el Prof. Chu-Ryang Wie):

Lascaracterísticasdevoltaje-corrientesepuedenaproximarcomosemuestraenelsiguientediagrama:

Preguntas

Primera pregunta: ¿Es correcta la siguiente clasificación de los modos de operación, incluidas las explicaciones?

  • 1er Cuadrante: Modo fotoemisivo - Diodo emisor de luz (ger .: Lichtemitter )

    • Voltaje, corriente y potencia:
      Elemento pasivo Elemento absorbente de energía $$ V_D > 0, I_D > 0 \ rightarrow P_D = V_D \ cdot I_D > 0 $$
    • Aplicamos una tensión de polarización directa externa (positiva) y forzamos una corriente positiva a través del diodo. Como consecuencia, el diodo emite luz. En resumen, la energía eléctrica suministrada externamente se convierte en fotones, es decir, luz.

  • 3er Cuadrante: Modo fotoconductor / Modo fotodiodo - Sensor de luz / Inversión (Voltaje inverso) Modo operativo (ger .: Diodenbetrieb )

    • Caso general
      • Voltaje, corriente y potencia:
        Elemento pasivo Elemento absorbente de energía $$ V_D \ leq 0, I_D < 0 \ rightarrow P_D = V_D \ cdot I_D \ geq 0 $$
      • Aplicamos una tensión de polarización inversa externa (negativa). La corriente negativa a través del diodo es ahora una función de la luz a la que está sujeto. Midiendo la corriente podemos calcular la intensidad de la luz.
        En resumen, la energía eléctrica suministrada externamente es modificada por el diodo proporcionalmente a la luz a la que está sujeta.
    • Caso especial \ $ V = 0 \ $: Modo de cortocircuito (ger .: Kurzschlussbetrieb )
      • voltaje, corriente y potencia:
        Elemento neutro $$ V_D = 0, I_D < 0 \ rightarrow P_D = V_D \ cdot I_D = 0 $$
      • No se aplica alimentación externa. En cambio, la corriente desarrollada por el diodo mientras se la somete a la luz se mide para determinar la intensidad de la luz.
        La corriente es (casi) una función lineal de la intensidad de la luz.

  • Cuarto cuadrante: Modo fotovoltaico - Célula solar (ger .: Elementbetrieb )

    • Caso general
      • Voltaje, corriente y potencia:
        Elemento activo Elemento generador de energía $$ V_D > 0, I_D \ leq 0 \ rightarrow P_D = V_D \ cdot I_D \ leq 0 $$
      • No se aplica alimentación externa. En cambio, el diodo convierte la energía luminosa en voltaje negativo y corriente negativa, que luego se fuerza a través de una carga (por ejemplo, una resistencia).
    • Caso especial \ $ I = 0 \ $: Modo fotovoltaico / Modo de circuito abierto (ger .: Leerlaufbetrieb )
      • voltaje, corriente y potencia:
        Elemento neutro $$ V_D > 0, I_D = 0 \ rightarrow P_D = V_D \ cdot I_D = 0 $$
      • No se aplica alimentación externa. En cambio, el voltaje desarrollado por el diodo mientras está sujeto a la luz se mide para determinar la intensidad de la luz.
        El voltaje es una función altamente no lineal de la intensidad de la luz.

Segunda pregunta: ¿Cómo se comportan los pares de huecos de electrones generados en la región de agotamiento para diferentes modos de operación? Lo único que encontré es que, debido al campo eléctrico en la región de agotamiento, los agujeros siempre se succionan en la zona p neutra y los electrones se succionan siempre en la zona n neutral. ¿Esto es cierto tanto para la tensión de polarización directa como inversa, ya sea interna o externa? ¿Qué pasa después?

    
pregunta Discbrake

1 respuesta

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  1. Muchos fotodiodos, particularmente los basados en silicio, no emitirán una luz significativa, incluso cuando se manejan en el cuadrante I.

  2. La operación en el cuadrante IV (o a lo largo del eje I = 0) normalmente se llama modo fotovoltaico, no "célula solar".

  3. La distinción que está haciendo entre elementos "activos" y "pasivos" no es la forma en que estos términos se definen normalmente. Por ejemplo, un transistor se considera un elemento activo, pero no entrega energía al circuito. Al categorizar los modos de funcionamiento del fotodiodo, simplemente los llamo operación de generación de energía y de absorción de energía.

  

¿Cómo se comportan los pares de agujeros de electrones generados en la región de agotamiento para diferentes modos de operación?

En cualquier caso, el campo eléctrico en la región de agotamiento tiene el mismo signo, por lo que los portadores generados fluyen de la misma manera (electrones hacia el cátodo, orificios hacia el ánodo).

  

¿Esto es cierto para la tensión de polarización directa e inversa, ya sea interna o externa?

Sí. La polarización directa solo reduce el ancho de la región de agotamiento y reduce la barrera potencial, por lo que la energía térmica es suficiente para que algunos transportistas atraviesen la región de agotamiento. El campo de la región de agotamiento nunca se invierte (prácticamente, sin destruir el dispositivo).

  

¿Qué sucede después?

Una vez que los portadores generados por la foto se eliminan de la región de agotamiento, forman un exceso de concentración del portador en la región de volumen, creando una corriente de difusión.

    
respondido por el The Photon

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