FOTODIODI A GIUNZIONE
E FOTOTRANSISTORI
Nei fotodiodi a giunzione P-N la luce incidente produce delle coppie elettrone-lacuna. Queste danno
origine ad una corrente che modifica la curva corrente-tensione di un diodo normale.
Generalmente i fotodiodi sono incapsulati in vetro o plastica o in metallo; in quest’ultimo caso, il
contenitore presenta una finestra in modo tale che il dispositivo stesso possa essere colpito dalla
radiazione incidente.
Spesso i fotodiodi sono usati in polarizzazione inversa. A seconda del valore di tensione applicata
(punto di lavoro), si distinguono due classi:
1. fotodiodi a strato di svuotamento: dove la tensione applicata è inferiore alla tensione di rottura
del diodo (diodo a eterogiunzione,…)
2. fotodiodi a valanga: dove la tensione applicata è superiore alla tensione di rottura.
FOTODIODI A STRATO DI SVUOTAMENTO
Un diodo normale è caratterizzato dalla relazione
VV
I I s e t 1
I
I
V
Fig. 3.1 – Caratteristica corrente-tensione in un diodo a giunzione
Nel caso del fotodiodo, la caratteristica corrente-tensione si modifica per tenere conto del termine
dovuto alla radiazione:
272
VV
I I s e t 1 I f
I f Q
If
(3.1)
è la corrente di corto circuito.
Il grafico corrispondente è:
I
If
Luce
Luce
crescente
crescent
e
V
If
I
V
Fig. 3.2 – Caratteristica corrente-tensione in un fotodiodo
È interessante trovare la tensione a circuito aperto (intersezione della curva con l’asse delle ascisse).
VV
I s e t 1 Q 0
da cui
V
Vt
Q I s e I s e quindi
Q
V Vt ln Q 1
V V
t ln I sI 1
s
(3.2)
La figura 3.3 rappresenta un circuito base di utilizzo del fotodiodo:
273
R
Fig. 3.3 – Circuito base di utilizzo di un fotodiodo
V Vd Vr
Vr RI
V
d
I I s 1 e Vt
V RI
I I 1 e Vt
f
s
Q
Se V è sufficientemente grande da soddisfare a:
V RI Vt
allora l’equazione si semplifica in:
I I s Q
(3.3)
da cui segue il comportamento lineare della corrente in funzione dell’intensità della radiazione.
V r RI R I f I s RI f RQ
Si ha quindi che Vr , a parità di luce, è proporzionale a R: se R è grande, la tensione di
alimentazione V deve essere elevata.
ERRORE DI LINEARITÀ:
Utilizzando la 3.3 per determinare il valore della corrente del circuito, si commette un errore (errore
di linearità), dovuto alla semplificazione effettuata.
È, però, possibile limitare tale errore a piacere: sia, ad esempio, l’errore massimo ammesso. Vale,
allora:
274
e
V RI
Vt
V RI Vt ln V RI Vt ln
(3.4)
Per ogni valore di , trovo un corrispondente valore di tensione di alimentazione che garantisce un
errore inferiore ad .
FOTODIODI A VALANGA
Nei fotodiodi a valanga la tensione applicata alla giunzione (sempre polarizzata inversamente)
supera quella di rottura. Ciò produce un fenomeno di moltiplicazione a valanga delle cariche a cui
corrispondono alti guadagni.
Nel grafico seguente viene descritto il guadagno in funzione della tensione inversa superiore alla
tensione di rottura:
G
1
V Vbreak
Fig. 3.4 – Guadagno in funzione del rapporto tensione inversa/tensione rottura
Questi dispositivi presentano però dei limiti:
1. di potenza dissipabile
2. di velocità di commutazione basse a causa del tempo coinvolto nel processo di moltiplicazione a
valanga.
FOTOTRANSISTORI (O FOTODIODO A GIUNZIONE
MULTIPLA)
Si consideri la fig.3.5, che rappresenta un fototransistor N-P-N:
275
P
luce
elettroni
N
N
++++++++
lacune
Fig. 3.5 – Schema di un fototransistor NPN
La base è generalmente aperta. La luce genera coppie elettroni-lacune: gli elettroni generati si
trovano ad un valore massimo del loro livello energetico e, quindi, cadono giù. Le lacune,
viceversa, si accumulano e, di conseguenza, polarizzano la base, facendo condurre il dispositivo.
Più luce illumina il dispositivo, maggiore è il numero di lacune che polarizzano la base. Si trova
dunque una corrispondenza diretta tra intensità di illuminazione e corrente che fluisce nel
fototransistor.
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