Что такое фотодиод и как он работает. Какие бывают типы фотодиодов. Каковы основные характеристики и параметры фотодиодов. Где применяются фотодиоды в современной электронике. Как выбрать подходящий фотодиод для конкретной задачи.

Что такое фотодиод и принцип его работы

Фотодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует световой сигнал в электрический. Основой фотодиода является p-n переход. При попадании света на p-n переход в нем генерируются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля p-n перехода электроны и дырки разделяются, что приводит к возникновению фототока.

Основные преимущества фотодиодов:

• Высокая чувствительность
• Быстродействие
• Линейность характеристик
• Низкий уровень шумов
• Долговечность
• Малые размеры

Основные типы фотодиодов

Существует несколько основных типов фотодиодов:

p-n фотодиоды

Наиболее простые и распространенные. Состоят из p-n перехода. Имеют хорошую чувствительность и быстродействие.

p-i-n фотодиоды

Между p и n областями добавлена intrinsic область с собственной проводимостью. Это позволяет увеличить чувствительность и быстродействие.

Лавинные фотодиоды

Работают в режиме лавинного умножения носителей заряда. Обладают очень высокой чувствительностью, но требуют высокого напряжения питания.

Фотодиоды Шоттки

Вместо p-n перехода используется контакт металл-полупроводник. Обладают очень высоким быстродействием.

Основные характеристики и параметры фотодиодов

Ключевыми характеристиками фотодиодов являются:

• Спектральная характеристика — зависимость чувствительности от длины волны излучения
• Вольт-амперная характеристика — зависимость тока от напряжения
• Световая характеристика — зависимость фототока от освещенности
• Быстродействие — время нарастания и спада фототока
• Шумовые характеристики

Основные параметры фотодиодов:

• Интегральная чувствительность
• Темновой ток
• Емкость p-n перехода
• Рабочее напряжение
• Площадь фоточувствительной области

Применение фотодиодов в современной электронике

Фотодиоды широко применяются в различных областях электроники и техники:

• Системы передачи и приема оптических сигналов
• Оптические датчики и сенсоры
• Фотометрическое оборудование
• Системы автоматики и контроля
• Медицинская техника
• Системы безопасности
• Бытовая электроника

Как выбрать фотодиод для конкретной задачи

При выборе фотодиода необходимо учитывать следующие факторы:

• Спектральный диапазон излучения
• Требуемую чувствительность
• Быстродействие
• Уровень шумов
• Размер фоточувствительной области
• Напряжение питания
• Условия эксплуатации

Правильный выбор фотодиода позволит обеспечить оптимальные характеристики устройства для решения конкретной задачи.

Перспективы развития фотодиодов

Основные направления совершенствования фотодиодов:

• Расширение спектрального диапазона
• Повышение чувствительности и быстродействия
• Снижение шумов
• Миниатюризация
• Создание многоэлементных фотоприемников
• Интеграция с другими устройствами

Развитие фотодиодов открывает новые возможности для создания высокоэффективных оптоэлектронных устройств.

Особенности применения фотодиодов в оптических линиях связи

Фотодиоды являются ключевыми элементами приемных устройств оптических линий связи. Для этого применения критически важны следующие характеристики фотодиодов:

• Высокая чувствительность в ближнем ИК диапазоне (850-1550 нм)
• Высокое быстродействие (полоса пропускания до десятков ГГц)
• Низкий уровень шумов
• Высокая надежность

Наиболее часто в оптических линиях связи применяются p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Лавинные фотодиоды обеспечивают более высокую чувствительность, но требуют более сложных схем питания и стабилизации.

Фотодиоды в системах технического зрения

Системы технического зрения широко применяются в промышленности, робототехнике, системах безопасности. Фотодиоды в таких системах используются в качестве светочувствительных элементов в фотоприемных матрицах. Ключевые требования:

• Высокое пространственное разрешение
• Высокая чувствительность
• Широкий динамический диапазон
• Высокое быстродействие

Применение фотодиодных матриц позволяет создавать высокоэффективные системы технического зрения для решения широкого круга задач.

Маркировка и монтаж светодиодов

Светоизлучающие диоды маркируются цветовым кодом (табл. 1).

Таблица 1. Маркировка светодиодов

Светодиоды бывают почти всех цветов: красный, оранжевый, желтый, желтый, зеленый, синий и белый.

Цвет светодиодов определяется типом полупроводникового материала, из которого он сделан, а не цветом пластика его корпуса. Светодиоды любых цветов бывают в бесцветном корпусе, в таком случае цвет можно узнать только включив его.

Перед пайкой светодиодов необходимо снять с себя статическое электричество (например прикоснуться к батарее отопления помещения.)

Рекомендуется использовать паяльник не мощнее 25Ватт и температура его должна поддерживаться на уровне 315º. Пайка производится в течении 2-ух секунд. Нужно предостеречь эпоксидное покрытие светодиода (верхнюю светоизлучающую часть) от прикосновений паяльником, иначе она может расплавиться. Не рекомендуется механически воздействовать на поверхность светодиода при пайке, допустим, надавливать прижимать пальцем.

Пайка светодиода считается законченной, когда его температура не превышает 40ºC, после этого можно подавать на него ток. Это связано с тем, что кристаллы светодиода испытывают термический стресс во время пайки, должны остыть перед включением и плавно нагреваются во время работы.

I Рисунок 4. Условное обозначение на схемеIi. Фотодиоды

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении). Этот эффект используется в различных оптических датчиках.

Фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называется фотогальванический режим.

Принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

Типы фотодиодов

p-i-n фотодиод

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности

Фотодиод Шоттки

п

Рисунок 5.

Условное обозначение на схеме фотодиода Шоттки

олупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качествебарьера Шоттки(вместоp-n перехода, как у обычных диодов).

Лавинный фотодиод

высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качествефотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредствомэффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогамифотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей.

Фотодиод с гетероструктурой

Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

studfile.net

Фотодиод — chipenable.ru

Фотодиод — это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков — концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.

График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте. 

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

— холостой ход (хх),
— короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Продолжение следует.

chipenable.ru

Фотодиод маркировка. Основные характеристики и параметры фотодиодов

При воспроизведении фотографической фонограммы ис­точником сигнала является фотодиод. Он может работать в фотогальваническом или в фотодиодном режиме. Схема включения фотодиода, работающего в фотогальва­ническом режиме, на вход транзисторного усилителя пока­зана на рис. 45, а. В этом режиме фотодиод работает без источника питания. Под действием света в области n-типа разрушаются ковалентные связи, и освободившиеся элект­роны накапливаются в этой области, заряжая ее отрица­тельно, а дырки втягиваются в область р-типа, заряжая ее положительно. Таким образом, между анодом и катодом соз­дается разность потенциалов — фото-ЭДС Е ф. При постоян­ном световом потоке в режиме покоя под действием этой ЭДС в цепи фотодиода протекает постоянный ток от области р к области п через резистор нагрузки R нф. При воспроизве­дении фонограммы световой поток пульсирует, поэтому пуль­сируют фото-ЭДС и ток в цепи фотодиода. Переменная сос­тавляющая напряжения на нагрузке R нф является напря­жением входного сигнала, которое через конденсатор С с передается на базу транзистора. Переменная составляющая тока фотодиода разветвляется: часть проходит через резис­тор R нф а другая часть — через конденсатор С с и эмиттер­ный переход транзистора.

Работа фотодиода в фотогальваническом режиме исполь­зуется в передвижной звуковоспроизводящей аппаратуре типа К3ВП-I0 и К3ВП-14.

При работе фотодиода в фотодиодном режиме (рис. 45, б) на него от источника питания подается постоянное напряже­ние, которое является обратным напряжением электронно-дырочного перехода. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает очень малый ток – это темновой ток. Под действием света резко уменьшается обратное сопротивление р — n — переходаи возрастает ток через фото­диод.

При отсутствии сигнала световой поток остается посто­янным и через фотодиод протекает постоянный ток. Он идет от плюса источника питания через сопротивление нагрузки, фотодиода R нф и фотодиод к минусу источника питания. В режиме воспроизведения записанного на фонограмме сигнала световой поток и ток фотодиода, как и в первом ре­жиме, пульсируют, и переменная составляющая тока создает на нагрузке и на входе усилителя входной сигнал.

Рис. 45 Схемы включения фотодиода: а — в фотогальваническом режиме;

б – в фотодиодном режиме

В фотодиодном режиме чувствительность фотодиода повы­шается по сравнению с фотогальваническим режимом, и вход­ ной сигнал увеличивается; внутреннее сопротивление фото­диода для переменного тока также увеличивается.

Работа фотодиода в фотодиодном режиме используется в стационарной транзисторной аппаратуре типа «Звук Т».

Фотодиоды, установленные в фотоячейках на кинопроек­торах разных постов, могут иметь разброс параметров, и частности неодинаковую чувствительность, что приводит к неодинаковой отдаче постов. Чтобы при демонстрации кинофильма не изменялась громкость звука при переходе с поста на пост, в фото­-ячейке предусматрива­ется регулирование от­дачи фотодиода. Схема регулирования (рис. 46) позволяет переменным ре­зистором R уменьшить сигнал, поступающий отданного фотодиода на вход усилителя. В верх­нем положении движка резистора R3 сопротивле­ние цепочки R1, R3, С1, включенной параллельно фотодиоду, максималь­ное, поэтому входной сиг­нал наибольший. По мере перемещения движка вниз сопротивление R3 все больше закорачивается, общее сопротивление цепочки R1, R3, Сl уменьшается, возрастает ее шунтирующее действие, и сиг­нал на входеусилителя уменьшается. Такая схема включения фотодиода типа ФДК155 применена в звуковоспроизводя­щей аппаратуре типа «Звук T2-25,50».

Линия включения фотодиода на вход усилителя должна быть экранирована, как и для других источников сигнала.

Фотодиоды, используемые в аппаратуре киноустановок, имеют чувствительность порядка 4-6 мА/лм и дают ток входного сигнала 1-2 мкА.

Рис.46 Схема регулирования о

gikk.ru

Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

Фотодиод ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм² ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 — 16шт) Обозначение на схемах

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  ;  — токовая чувствительность по световому потоку

  ;  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока.

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

  Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

• Лавинный фотодиод

• В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

  Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

  1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

  2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

  Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

• Фотодиод с гетероструктурой

  Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 15 мая 2011.

dic.academic.ru

Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

ФД-10-100 (активная площадь — 10×10 мм²). ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2×4 мм² — 16 шт). Обозначение на схемах. Типовая спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Видео по теме

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку

  Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

  Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

• Лавинный фотодиод

• В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

  M=IΦIΦ0{\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}

  M=11−(UUpr)m{\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}

  Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

  1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

  qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}

  2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

  W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }

  Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.

• Фотодиод с гетероструктурой

  Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания

wiki2.red

Фотодиод, фототранзистор, фототиристор, оптрон, разновидности индикаторов

Фотодиод

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы.

Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения

u

ак

между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделан­ным замечанием о разделении электронов и дырок

u

ак

> 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

Характеристики и параметры.

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127).

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя

p

, электроны — к электроду слоя

n

). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при

u

> 0 и

i

< 0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (

u

·

i

< 0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям

u

< 0 и

i

< 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (

u

·

i

> 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128).

Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷

—

10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в оптопару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).

При этом ток

i

и напряжение

u

фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Фототранзистор и фототиристор

Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).

Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Оптрон (оптопара)

Оптрон — полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷ … 10⁸раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие — 0,01 … 1 с.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей — тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше.

Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Дадим условное графическое обозначение этой оптопары (рис. 1.131, а).

Напомним, что излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

Воспользуемся общепринятым выбором условно-положительных направлений для токов и напряжений диодов оптопары (рис. 1.131,6).

Изобразим зависимость тока i_вых от тока i_вx при

u

вых

= 0 для оптопары АОД107А (рис. 1.132).

Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

Разновидности индикаторов

К основным типам индикаторов относятся:

● полупроводниковые индикаторы (ППИ),

● вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ),

● газоразрядные индикаторы (ГРИ)

● жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

Простейшими ППИ являются светодиоды. Помимо них выпускаются цифровые и буквенно-цифровые, одно- и многоразрядные, шкальные и матричные ППИ. Они характеризуются высокой яркостью, большим сроком службы, низким рабочим напряжением, имеют малую инерционность и очень стойки к механическим воздействиям.

ВЛИ представляют собой вакуумный триод, содержащий прямонакальный катод, сетку и несколько анодов, покрытых люминофором и расположенных в одной плоскости. При подаче напряжения накала катод испускает электроны, которые под действием электрических полей сетки и анодов устремляются к анодам, и люминофор анодов начинает светиться.

Индикаторы этого типа обладают большой яркостью и долговечностью, незначительной потребляемой мощностью и хорошо сопрягаются с микросхемами на МДП-структурах.

Газоразрядные индикаторы до появления ВЛИ и ППИ были основными приборами техники индикации. И сейчас они широко применяются из-за высокой яркости, малой потребляемой мощности и высокого быстродействия. Но значительные рабочие напряжения (сотни вольт) не позволяют подключить ГРИ непосредственно к микросхемам.

Практически все ГРИ представляют собой газоразрядные диоды, содержащие один или несколько катодов и анод. При увеличении разности потенциалов между анодом и некоторым катодом ток через такой диод резко возрастает, а газ начинает светиться.

ЖКИ имеют небольшие размеры, питаются от источника с низким напряжением, потребляют очень малую мощность (не более 100 мкВт) и обеспечивают хорошую четкость знаков при самом различном наружном освещении.

Поясним подробнее, что же такое жидкие кристаллы. Среди большого количества различных веществ, находящихся в жидком состоянии, значительная часть состоит из молекул, имеющих форму нити. Под воздействием электрического поля и в определенном диапазоне температур (10 … 55°С) в таких веществах возникает специфический эффект динамического рассеивания, в результате которого их коэффициент преломления (как для проходящего, так и для отраженного света) изменяется, и жидкость, непрозрачная в нормальном состоянии, начинает пропускать свет (она оказывается подобной твердому кристаллу). Таким образом, сами жидкокристаллические индикаторы света не излучают. Для них необходимы источники постороннего света той или иной длины волны.

pue8.ru

Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

ФД-10-100 (активная площадь — 10×10 мм²). ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2×4 мм² — 16 шт). Обозначение на схемах. Типовая спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку

  Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области

• Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

  Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

• Лавинный фотодиод

• В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

  M=IΦIΦ0{\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}

  M=11−(UUpr)m{\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}

  Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

  1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

  qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}

  2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

  W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }

  Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.

• Фотодиод с гетероструктурой

  Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания

wikipedia.green