Световая характеристика фотодиода: 1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n — Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Виды фотодиодов. Основные характеристики и параметры фотодиодов. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики

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.

Фотодиод активно используется в современных электронных устройствах, из названия становится понятно, что прибор из себя представляет конструкцию с применением полупроводника, так давайте рассмотрим, что такое фотодиод Фотодиод — это полупроводниковый диод, который обладает свойством односторонней проводимости при воздействия на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, обычно с электронно — дырочным переходом (пн). Он снабжен двумя металлическими выводами и вмонтированный в пластмассовый или же в металлический корпус.

Различают два режима работы фотодиода.

1) фотодиодный — когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, который создает на переходе обратное смещение и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор используют для управления током. Фототок фотодиода сильным образом зависит от интенсивности падающего излучения и не зависит от напряжения смещения.

2) Вентильный режим — когда фотодиод, как и фотоэлемент, используют в качестве генератора ЭДС.

Основные параметры фотодиода — порог чувствительности, уровень шумов, область спектральной чувствительности лежит в пределах от 0,3 до 15 мкм (микрометров), инерционность — время восстановления фототока, Существуют также фотодиоды с прямой структурой.Фотодиод является составным элементом во многих опто- электронных устройствах. фотодиоды и фотоприемники широко применяются в опронных парах, приемниках излучения видео — аудио сигналов. Широко применяется для принятия сигнала с лазерных диодов в CD и DVD дисководах.

Сигнал от лазерного диода, который в себе содержит кодированную информацию, сначала попадает на фотодиод, который в данных устройствах имеет сложную конструкцию, затем после расшифровки информация поступает на центральный процессор, где после обработки превращается в аудио или видеосигнал. На таком принципе работают все современные дисководы. Так же фотодиоды применяются в различных охранных устройствах, в инфракрасных датчиках движения и присутствия. Очередной обзор для начинающего радиолюбителя подошел к концу, удачи в мире радиоэлектроники — АКА.

Теория для начинающих

Обсудить статью ФОТОДИОДЫ

radioskot.ru

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок

Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.

Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

www.radioelementy.ru

Фотодиоды

Фотодиодом принято называть полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольтамперная характеристика которого зависит от воздействующего на него света.

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

Рис. 17.6. Фотодиод:

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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток через p-n переход обусловлен дрейфом небазовых носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей принято называть фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов принято называть фото ЭДС Eф. 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).

Учитывая зависимость отуровня 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).

Рис. 17.7. Работа фотодиода в режиме фотопреобразователя:

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Οʜᴎ 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. Размещено на реф.рфВ 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 .

Фотодиоды | Техника и Программы

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1т от напряжения.

Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а 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.

Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2. Время пролета через р-n переход т,;

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт	Сила тока, мА	Напряжение, В

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

Многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

Как происходит восприятие образов?

Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. Оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.

В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.

Основной недостаток, на который обычно указывают, — отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.

Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103…104 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).

Острая направленность (кучность) светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электрическую энергию в любую область пространства.

Возможность двойной — временной и пространственной — модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении — от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам, что определяет их высокую помехозащищенность.

Важная особенность фотодиодов — высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

ИК спектра

Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.

В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.

Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.

На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.

Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.

Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.

Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.

Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:

Мощность излучения — Ризл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.

Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.

Импульсная мощность излучения — Ризл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

Ширина спектра излучения — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.

Максимально допустимый прямой импульсный ток 1пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

Мощность излучения, мВт	Длина волны, мкм	Ширина спектра, мкм	Напряжение на приборе, В	Угол излучения, град






		нет данных		нет данных

Время нарастания импульса излучения tHapизл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.

Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.

nauchebe.net

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, 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; RH — 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 Cp-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 Uобр≈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 Uраб 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.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ — электровакуумные или полупроводниковые приборы,преобразующие эл—магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы , фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.

Фотоэлектронными называются приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую. В спектре длин волн оптического излучения для фотоэлектронных приборов в основном используются ультрафиолетовые излучения (диапазон длин волн λ=10-400 нм), видимое (λ=0,38-0,76 мкм) и инфракрасное (λ=0,74-1 мкм).
Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях внутреннего и внешнего фотоэффектов. Внутренний фотоэффект, используемый в основном в полупроводниковых фотоэлектронных приборах, заключается в том, что под действием лучистой энергии оптического излучения электроны получают дополнительную энергию для их освобождения от межатомных связей и перехода из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего электропроводимость полупроводника существенно возрастает. При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия световых квантов (фотонов) оптического излучения должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. (36)
Следовательно, фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны λ ф, меньшей некоторого граничного значения, называемого «красной границей».
(37)
где λ ф – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала, мкм;
с – скорость света в вакууме;
– постоянная Планка;
– ширина запрещенной зоны (рис.3), ограниченная краями энергетических зон ЗП, ВЗ, в электрон-вольтах (эВ).
Следует отметить, что возможности фотоэлектронных приборов могут расширяться при воздействии энергии разнообразных источников излучения. Такими источниками могут быть как источники фотонов (солнечная энергия, гамма-излучение, рентгеновское излучение), так и источники частиц с высокой энергией (электронная пушка, бета-излучение, альфа-частицы, протоны и др.) .

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта в p-n переходе возникает односторонняя фотопроводимость при воздействии на него оптического излучения. Конструктивно он представляет собой кристалл с p-n переходом, причём световой поток при освещении прибора направляется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис.36). Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.

Рис. 36. Структура фотодиода

Принцип работы фотодиода

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

§ фотогальванический — без внешнего напряжения

§ фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

§ простота технологии изготовления и структур

§ 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 фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

Si ,Φv =I ΦΦv ; Si ,Ev =I ΦEv — токовая чувствительность по световому потоку

Su ,Φe =U ΦΦe ; Si ,Ee =U ΦEe — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

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. U Φ=f (I Φ)

спектральные характеристики

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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 освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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

Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.

Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

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.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).

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).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

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 тока 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.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

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

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107–1010 Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

При поглощении световых квантов в p-n переходе или в примыкающих к нему областях генерируются новые носители заряда (электроны и дырки), которые проходя через него и вызывают появление напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи. Величина, на которую возрастает обратный ток протекающий через переход, называют фототоком.

Фотодиод, в зависимости от материала из которого он изготовлен, используется для регистрации светового потока в оптическом инфракрасном, и ультрафиолетовом диапазоне. Эти радиокомпоненты обычно изготавливают из германия, кремния, арсенида галлия, индия и т.п.

В фотодиодном режиме применяется внешний источник питания, который смещает полупроводниковый прибор в обратном направлении. В этом случае через протекает 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 в роли датчики или в роли слаботочного элемента питания, так как под воздействием светового потока на выводах фотоэлемента генерируется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Чтобы лучше разобраться с режимами работы этого компонента, рассмотрим его вольтамперную характеристику.

При отсутствии светового излучения график представляет собой обратную ветвь ВАХ типичного диода. Присутствует небольшой ток обратки, называемый темновым током обратно смещенного.

При наличии излучения, сопротивление фотодиода снижается и обратный ток увеличивается. Чем больший световой поток падает на фотоэлемент, тем больший обратный ток протекает через фотодиод. Зависимость в этом режиме линейная. Как видим из ВАХ обратный ток фотодиода практически не зависит от обратного напряжения.

Фотогальваническому режиму соответствует работа в четвертой четверти графика. И здесь можно выделить два предельных варианта: режим холостого хода и короткого замыкания.

Режим приближенный к холостому ходу применяется для получения энергии от фотодиода, хотя КПД у него невысокий. Но если соединить последовательно и параллельно много таких компонентов, то такой получившейся батареей можно запитать мало-потребляющую схему.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотоэлементе стремится к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим применяется для построения фотодатчиков.

Характеристики фотодиода

Помимо ВАХ, рассмотренной выше существкует еще ряд основных параметров фотоэлемента.

Световая характеристика фотодиода , зависимость фототока от освещенности, которая прямопропорционально генерируемому фототоку от освещенности. Это объясняется тем, что толщина базы фотодиода гораздо меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, появившиеся в базе, учувствуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны светового потока воздействующего на фотоэлемент.

постоянная времени — в течение этого времени фототок фотоэлемента изменяется после освещения или после затемнения фотодиода по отношению к установившемуся значению.

темновое сопротивление — сопротивление радиокомпонента при отсутствии освещения.

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 обычной p-n-структуре.

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 в глубь 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 фотоЭДС Eф. 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 – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. 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.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры , в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр

Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Потапов Л. А.

Вольт-амперная характеристика — фотодиод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Вольт-амперная характеристика — фотодиод

Cтраница 1

Вольт-амперные характеристики фотодиода в этом режиме при разных значениях световых потоков показаны в III квадранте рис. 8.5, а и соответственно этому квадранту на рис. 8.5, в. Как видно, эти характеристики аналогичны коллекторным ( выходным) характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ ( см. рис. 5.7, б), только параметром является не ток эмиттера, а световой поток фотодиода. Как видно из построения, ток мало зависит от приложенного напряжения. [1]

Вольт-амперные характеристики фотодиода в этом режиме при разных значениях световых потоков показаны в III квадранте ( см. рис. 8.5, а) и соответственно этому квадранту на рисунке 8.5, в. Как видно, эти характеристики аналогичны коллекторным ( выходным) характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ ( см. рис. 5.7, б), только параметром является не ток эмиттера, а световой поток фотодиода. Как видно из построения, ток мало зависит от приложенного напряжения. [3]

Поскольку вольт-амперные характеристики фотодиода имеют насыщенный характер, величина напряжения питания входной цепи может изменяться в широких пределах. Его минимальная величина ограничивается ординатой точки выходной характеристики, соответствующей нужному току базы, а максимальная — допустимым для данного фотодиода напряжением. [5]

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Фотоуправление током через диод становится невозможным. [7]

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода напоминает семейство выходных характеристик транзистора с общей базой. Световой поток играет роль эмиттера, инжектирующего подвижные носители заряда, которые, диффундируя к переходу, как коллектору, собираются им. При полном затемнении ( Ф 0) через фотодиод протекает тем новой ток / т, равный сумме обратного тока насыщения р-и-перехода и тока утечки. Величина / т мала и составляет у германиевых фотодиодов 10 — 30 мка, у кремниевых — 1 — 3 мка. Флуктуации темнового тока ограничивают минимальную величину светового потока, который можно зарегистрировать фотодиодом. С ростом светового потока ток фотодиода увеличивается. Характерной особенностью рабочей области вольт-амперных характеристик является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения. Такой режим наступает при обратных напряжениях на диоде порядка 1 в. Так как темновой ток мал, то отношение тока при освещении к тем-новому току велико, что весьма важно при индикации освещения. [8]

На графике вольт-амперной характеристики фотодиода наносится линия нагрузки. В случае активного сопротивления — это прямая. Лшт / н — Координаты точки пересечения нагрузочной лини с вольт-амперной характеристикой фотодиода соответствуют искомым величинам. [10]

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. [12]

По сравнению с вольт-амперными характеристиками фотодиодов они отличаются значительно большим тем-новым током, составляющим десятые доли миллиампер. [14]

Страницы: 1 2 3 4

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиоды входят в состав многих электронных устройств. Поэтому они и приобрели широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е_ф». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м².

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя, источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке R_н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R_н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10¹⁰ герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Время диффузии неравновесных носителей заряда.
Время прохождения по р-n переходу.
Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.

Советские фотодиоды технические характеристики и схемы включения. Схема включения фотодиода. p – i – n фотодиод

Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.

Вольт-амперная характеристика . В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I p — n >> I ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

E обр — I ф · R = U,

где U обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I ф – фототок (ток нагрузки).

Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I ф. Этот ток I ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I ф от параметров внешней цепи (U обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E ф или напряжениям холостого хода U хх (R н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.

Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R 1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф 1 и R 1 , будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.

Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):

Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.

Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I кз, либо фото-ЭДС E ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).

Фотодиодный режим

Рис.1.10.Световые характеристики ФД

Для функции I кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.

Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:

· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.

· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).

Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.

Основными параметрами являются:

· темновой ток I т.

· рабочее напряжение U раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.

· Интегральная чувствительность K ф.

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

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

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

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

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

Принцип работы фотодиодов

При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Режим фотопреобразования

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Лавинные

С барьером Шоттки

С гетероструктурой

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.
Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

Фотодиодная схема включения.

Приведенная схема включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции.
Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода.
Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде.
Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.
Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод.
Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рисунке.
В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе.
C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Величина R фильтра подбирается в зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем варианте с установленной оптикой, учитывается направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных направлениях разные засветки от солнца.
Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю.
Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой.

В схеме с ОБ — база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости.

Фотодиод основные характеристики. Основные характеристики и параметры фотодиодов

Принцип действия фотодиода

Характеристики фотодиодов

Чтобы лучше разобраться с режимами работы этого компонента, рассмотрим его вольтамперную характеристику.

Характеристики фотодиода

Помимо ВАХ, рассмотренной выше существкует еще ряд основных параметров фотоэлемента.

темновое сопротивление — сопротивление радиокомпонента при отсутствии освещения.

Устройство и принцип действия

Фотодиод входит в состав многих электронных устройств. Поэтому он и приобрел широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е ф ». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

Режим фотогенератора . Без подключения источника электричества.
Режим фотопреобразователя . С подключением внешнего источника питания.

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения Е подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке R н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.

Лавинные фотодиоды

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Принцип действия

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Время диффузии неравновесных носителей заряда.
Время прохождения по р-n переходу.
Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.

Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотоприемники с несколькими элементами

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.

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 отдачи фотодиода

Вопросы для самопроверки:

1. Что называется входной цепью, и какие бывают виды схем входа?

2. Нарисовать и объяснить схемы включения звукоснимателя.

3. Нарисовать и объяснить схемы включения микрофона.

4.Почему надо экранировать входные цепи и применять симметричную схему трансформатора входа? 

5.Почему звукосниматель включают на вход усилителя чаще всего через делитель напряжения, а для включения микрофона и магнитной головки в высококачественной аппаратуре применяют входной трансформатор?

6. Нарисовать и объяснить схемы включение фотодиода.

Принцип работы фотодиодов

При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Режим фотопреобразования

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Лавинные

С барьером Шоттки

С гетероструктурой

Области применения фотодиодов

Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Характеристики фотоприемников

Фотоприемники являются приборами, реагирующими на поток излучения и эта реакция описывается рядом характеристик:

1.Вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения на нем, т. е. , — общий ток.

2.Спектральная характеристика — определяет реакцию фотоприемника на воздействие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область применения приемника, а также его спектральную и интегральную чувствительность.

3.Энергетическая (световая) характеристика отражает зависимость фотоответа от интенсивности возбуждающего потока излучения. Эта характеристика может иметь конкретный вид как ампер-ватная, вольт-ватная, люкс-амперная характеристики.

Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной и спектральной чувствительности приемника от интенсивности засветки.

4.Температурные характеристики определяют зависимость таких параметров фотоприемника, как темновой ток, темновое сопротивление, чувствительность от температуры окружающей среды. Рабочая область температур регламентируется соответствующими техническими условиями эксплуатации, где оговариваются значения основных параметров в крайних точках рабочих температур при номинальном напряжении питания фотоприемника.

Температурный коэффициент фототока определяется соотношением:

где I₁и I₂ — световой ток при температуре Т₁ и Т₂соответственно.

5.Пороговые характеристики описывают способность фотоприемника реагировать на световые сигналы слабой интенсивности. Пороговые характеристики в значительной степени определяются собственными шумами прибора, которые представляют флуктуации тока в отсутствие засветки.

Шумы могут иметь следующие природы:

— тепловой или белый шум проявляется в виде беспорядочных колебаний на выводах фотоприемника;

— генерационно-рекомбинационный (дробовый) шум определяется флуктуацией концентрации и времени жизни носителей заряда.

— радиационный шум обусловлен случайными флуктуациями потока излучения.

6.Частотные характеристики определяют зависимость фоточув-ствительности от частоты модуляции света. Они являются характеристикой инерционности фотоприемника.

Фотоприемники характеризуются следующими параметрами:

1. Рабочее напряжение фотоприемника U_p— постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе.

2. Максимально допустимое напряжение U_max-максимальное значение постоянного напряжения, при котором отключение параметров прибора от номинальных значений не превышает установленных пределов.

3. Мощность рассеивания, выделяемая при прохождении фототока, определяющий разогрев фотоприемника. Каждый фотоприемник характеризуется определенным значением максимальной мощностирассеивания, которое не должно превышаться.

4. Тепловое сопротивление R_T -сопротивление фотоприемника в отсутствие падающего на него излучения.

5. Дифференциальное сопротивление R_Д — отношение малых приращений напряжения и тока на фотоприемнике.

6. Темновой ток фотоприемника I_T — ток, проходящий через фотоприемник при указанном напряжении питания на нем в отсутствии падающего на него излучения.

7. Коротковолновая(длинноволновая)граница спектральнойчувствительности — наименьшая (наибольшая) длина волны монохроматического излучения, при котором монохроматическая чувствительность фотоприемника равна 0,1 ее максимального значения.

8. Динамический диапазон линейности (в децибелах) — характеризует область значении лучистого потока Ф от Ф_max до Ф_min, для которой энергетическая характеристика линейна:

9. Максимум спектральной характеристики фотоприемника — длина волны, соответствующая максимальной чувствительности фотоприемника.

10. Токовая фоточувствительность S_i (А/лк или А/Вт) — определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения.

11. Вольтовая чувствительность S_u— характеризует значение сигнала в вольтах, отнесенные к единице падающего потока излучения. Единица измерения (В/Вт) или (В/лк).

Токовая и вольтовая чувствительности называются интегральными,если они характеризуют чувствительность к интегральному потоку излучения, имонохроматическими если характеризуют фоточувствительность к монохроматическому излучению.

12. Пороговая чувсвительность Р_пор определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал равен шуму.

13. Инерционностьфотоприемников характеризуется постоянными времён нарастания фронта t_н и спада t_сп фотоответа при импульсной засветке. Ими определяются предельные рабочие частоты модуляции света, при котором не происходит заметного уменьшения фотоответа.

14. Напряжение шума фотоприемника U_ш— среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи фотоприемника в указанной полосе частот.

15.Ток шума фотоприемникаI_ш— среднее квадратичное значение флуктуации тока, проходящего через фотоприемник в указанной полосе частот.

16. Коэффициент фотоэлектрической связи многоэлементного фотоприемникаК_ф.с— отношение напряжения сигнала с необлученного элемента в многоэлементном фотоприемнике и напряжению фотосигнала с соседнего облученного элемента, определяемое на линейном участке энергетической характеристики и рабочим напряжением во всех элементах.

Фотодиоды

Принцип действия и режимы эксплуатации фотодиодов.Полупроводниковым фотодиодом называют полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Фотодиоды являются быстродействующими фотоприемниками и применяются для регистрации модулированного по интенсивности излучения.

Упрощенная структурная схема фотодиода и физические процессы, протекающие в нем, показаны на рис.8.13. Основным элементом фотодиода является p-n — переход. При освещении n-области перехода происходит генерация электронно-дырочных пар. Эти носители диффундируют в глубь n-области. Если ширина n-области wдостаточно мала, то носители не успевают рекомбинировать в n-области и достигают границу p-n — перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полемp-n — перехода напряженностью E₀, при этом дырки будут захвачены ускоряющим полем перехода и переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и будут скапливаться у границы p-n — перехода вn-области. Поэтому фототок через p-n — переход обусловлен дрейфом не основных носителей — дырок.

Рис.8.13. Структурная схема фотодиода

Дрейфовый поток носителей образует фототок I_Ф. Дырки «заряжают» p-область положительно относительно n-области, а электроны — n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникшая таким образом разность потенциалов называется фото-ЭДС E_Ф.Она снижает внутренний потенциальный барьер Е₀ до значения DЕ»Е₀—Е_Ф. При этом должна выполнятся условие Е_Ф<Е₀, т. к. в противном случае исчезает «разделительные свойства» p-n — перехода.

Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает или без внешнего напряжения вфотогальваническом режиме,или при обратном внешнем напряжении, называемом фотодиодным режимом. Схемы включения имеют вид, показанный на рис.8.14.

Рис.8.14. Схемы включения фотодиода: а) и б) – соответственно, фотогальванический и фотодиодный режимы.

Фотогальванический режим (рис.8.14.а) характеризуется тем, что фотодиод работает генератором фото-ЭДС. При этом ток фотодиода равен:

I_ФД=U/R_Н= I_Ф-I_Т = I_Ф-I₀(-1). (8.35)

где I₀–обратный ток насыщения, j_T=kT/e — температурный потенциал,
e — заряд электрона.

В фотодиодном режиме работы (рис.8.14.б) последовательно с фотодиодом включается источник обратного напряжения Е_обр. При этом ток фотодиода равен: I_ФД=I_Ф+I_T»I_Ф.

Вольт — амперные и спектральные характеристики фотодиода.В общем случае ток фотодиода описывается выражением (8.35).

I_ФД=U/R_Н=I_Ф(Ф)-I₀( -1).

Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I_ФДот напряжения на фотодиоде при различных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением вольт — амперной характеристики фотодиода.

Рис.8.15. Семейство вольт–амперных характеристик фотодиода.

Типичное семейство вольт — амперных характеристик фотодиода приведено на рис.8.15.

Семейство вольт — амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант I не рабочая область для фотодиода, т. к. к p-n — переходу приложено прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок.

Квадрант III – рабочая область работы фотодиода. В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки.

Квадрант IV соответствует фотогальваническому режиму. По точкам пересечения вольт — амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при различных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно ~0,5 В.

Спектральная характеристика фотодиода подобна аналогичной характеристики фоторезистора. Спектральные характеристики германиевого и кремниевого фотодиода имеют вид, показанный на рис.8.16.

Рис. 8.16. Спектральные характеристики некоторых фотодиодов:

1 -кремний, 2 — германий.

Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны Eg. Спад коротковолновой части объясняется ростом коэффициента поглощения с уменьшением длины волны и поглощением большей части излучения приповерхностным слоем.

P-i-n–фотодиоды

Одним из основных параметров фотодиодов является быстродействие, определяемое его инерционностью. Увеличить быстродействие фотодиода без снижения его чувствительности возможно в фотодиодах с p-i-n — структурой. Упрощенная структурная схема p-i-n — фотодиода представлена на рис.8.17.

Рис.8.17. Структурная схема p-i-n – фотодиода

В p-i-n -структуре i-областью является высокоомный полупроводник, на противоположных плоскостях которой выращивают низкоомные слои p⁺ и n⁺ -типов проводимости. Эти слои получаются сильным легированием. Сопротивление i-слоя в 10⁶-10⁷ раз больше чем легированных слоев. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле E распространяется на достаточно широкую i-область. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычной структуры, в p-i-n -структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. Время дрейфа дырок через i-область составляет: t_др=w/v_p=w/m_pE , (8.36)

где V=m_pE–скорость дрейфа дырок в электрическом поле.

При E=2×10⁶ В/м дрейфовая скорость равна V»(6¸8)×10⁴ м/с. В данном случае при w=10^-2^{мы получим t_др≈10^-8-10^-9 с. Граничная частота для этого диода ∆f≈10⁹ Гц.}

Темновой ток, например, кремниевых p-i-n — диодов очень мал и лежит в пределах I_Т≈(1¸8)×10^-9 А.

P-i-n — фотодиоды имеют следующие основные достоинства:

1. Сочетание достаточно высокой чувствительности и высокого быстродействия.

2. Малая барьерная емкость.

3. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме (несколько вольт), что обеспечивает электрическую совместимость с интегральными микросхемами.

Недостатками p-i-n — фотодиодов являются:

1. Требование высокой чистоты i-области.

2. Плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

Лавинные фотодиоды

В обычном фотодиоде при поглощении света один фотон образует одну электронно-дырочную пару. Неосновные носители этих пар или рекомбинируют, или протекают через p-n — переход, обуславливая фототок.

В лавинных фотодиодах носители, проходящие через p-n — переход, приобретают в сильном электрическом поле перехода (рис.8.18) энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают на своем пути вторичные пары. В результате фототок за счет лавинного умножения значительно увеличивается. Вследствие лавинного умножения носителей при увеличении обратного напряжения возникает лавинный пробой, что приводит к значительному быстродействию фотодиода. В качестве примера в таблице 8.1. представлены параметры лавинного фотодиода ЛФД-2-А.

Для развития лавинного пробоя необходимо выполнение двух условий:

-толщина p-n — перехода, в которой сосредоточено внутреннее электрическое поле, должна превышать длину свободного пробега неосновных носителей заряда;

-энергия, накапливаемая не основными носителями в область перехода, должна быть достаточной для возбуждения валентных электронов полупроводника, т.е. превышала порог ударной ионизации

. (8.37)

Напряжение лавинного пробоя связано с удельным сопротивлением полупроводника следующим соотношением: , (8.38)

где а и b – постоянные, зависящие от разновидности полупроводника, например, для германия b =85, а=0,62.

Рис.8.18. а) — структура ЛФД, б) — распределение концентрации примеси, в) — распределение электрического поля.

Зависимость коэффициента лавинного усиления от напряжения на фотодиоде приближенно выражается следующим соотношением:

(8.39)

Типичные характеристики коэффициентов лавинного умножения для кремниевых лавинных фотодиодов G_max≈10⁴÷10⁶, для германиевого лавинного фотодиода G_max≈200÷300.

Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода (рис.8.19) описываются выражением: , (8.40)

где U₀-напряжение источника напряжения, I-фототок в отсутствии лавинного усиления.

Рис.8.19. Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода Ф₂>Ф_1.

Действие фотодиода приводит к преобразованию. Основные характеристики и параметры фотодиодов

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.

Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением.

Фотодиодная схема включения.

Приведенная схема (рис.1.) включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции.

Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода.

Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде.

Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.

Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод.

Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рис.2.

В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе.

C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой (рис.3.) или быстродействующий операционник (рис.4.) включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением (рис.5.).

Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю.

Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой (рис.6.).

Чтобы лучше разобраться с режимами работы этого компонента, рассмотрим его вольтамперную характеристику.

Характеристики фотодиода

Помимо ВАХ, рассмотренной выше существкует еще ряд основных параметров фотоэлемента.

темновое сопротивление — сопротивление радиокомпонента при отсутствии освещения.

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Потапов Л. А.

Простой фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

В сбалансированном состоянии, когда поток излучения стопроцентно отсутствует, концентрация носителей, рассредотачивание потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода стопроцентно соответствуют обыкновенной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в итоге поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина нелегальной зоны, в n-области появляются электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки именуют фотоносителями .

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная толика электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Тут фотоносители делятся электронным полем p–n-перехода, при этом дырки перебегают в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и накапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обоснован дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей именуется фототоком .

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область негативно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов именуется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – оборотный, он ориентирован от катода к аноду, при этом его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из 2-ух режимов – без наружного источника электронной энергии (режим фотогенератора) или с наружным источником электронной энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, нередко используют в качестве источников питания, модифицирующих энергию солнечного излучения в электронную. Они именуются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, применяемых на космических кораблях и спутниках.

КПД кремниевых солнечных частей составляет около 20 %, а у пленочных солнечных частей он может иметь существенно большее значение. Необходимыми техническими параметрами солнечных батарей являются дела их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти характеристики добиваются значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е врубается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Употребляются оборотные ветки ВАХ фотодиода при разных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода.

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам скрещения ВАХ фотодиода и полосы нагрузки, соответственной сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электронный пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а как следует, и чувствительность существенно вырастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими устройствами, их частотный спектр может достигать 10 ГГц. Недочетом лавинных фотодиодов является более высочайший уровень шумов по сопоставлению с обыкновенными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) свойства фоторезистора.

Не считая фотодиодов, используются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Соответствующим недостатком их является высочайшая инерционность (граничная рабочая частота fгр

Конструкция фототранзистора подобна обыкновенному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с 2-мя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды нередко употребляются в паре. При всем этом они помещаются в один корпус таким образом, чтоб светочувствительная площадка фотодиода размещалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», именуются оптронами (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких устройствах оказываются электрически никак не связанными, так как передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1 ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2. Время пролета через р-n переход т,;

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC 6 ap .

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC 6 ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC 6 ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Р осв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт	Сила тока, мА	Напряжение, В	КПД, %

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Многоэлементные фотоприемники.

Как происходит восприятие образов?

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 10 15 Гц) в 10 3 …10 4 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 10 8 бит/см 2).

ИК спектра

Мощность излучения — Р изл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

Импульсная мощность излучения — Р изл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

Максимально допустимый прямой импульсный ток 1 пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод	Мощность излучения, мВт	Длина волны, мкм	Ширина спектра, мкм	Напряжение на приборе, В	Угол излучения, град






			нет данных		нет данных

Время нарастания импульса излучения t Hap изл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

Параметр времени спада импульса t cnM 3 J 1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

Что такое фотодиод? Рабочие, ВАХ, применение

Что такое фотодиод?

Это разновидность светового датчика, который преобразует световую энергию в электрическую (напряжение или ток). Фотодиод — это полупроводниковый прибор с PN переходом. Между слоями p (положительный) и n (отрицательный) присутствует внутренний слой. Фотодиод принимает световую энергию в качестве входа для генерации электрического тока.

Его также называют фотодетектором, фотодатчиком или детектором света.Фотодиод работает в режиме обратного смещения, т.е. сторона p фотодиода соединена с отрицательной клеммой батареи (или источника питания), а сторона n — с положительной клеммой батареи.

Типичными материалами для фотодиодов являются кремний, германий, фосфид арсенида индия и галлия и арсенид галлия индия.

Внутри фотодиода есть оптические фильтры, встроенная линза и площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности фотодиода, тем меньше время отклика.Немногие фотодиоды будут похожи на светоизлучающие диоды (LED). Он имеет два терминала, как показано ниже. Меньший вывод действует как катод, а более длинный вывод действует как анод.

Символ фотодиода аналогичен символу светодиода, но стрелки на светодиодах указывают внутрь, а не наружу. На следующем изображении показан символ фотодиода.

Работа фотодиода

Обычно, когда свет освещает PN-переход, ковалентные связи ионизируются.Это порождает дырочные и электронные пары. Фототоки возникают за счет генерации электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары образуются, когда фотоны с энергией более 1,1 эВ попадают в диод. Когда фотон попадает в область истощения диода, он ударяет по атому с высокой энергией. Это приводит к высвобождению электрона из структуры атома. После выхода электрона образуются свободные электроны и дырка.

Обычно электрон имеет отрицательный заряд, а дырки — положительный.Энергия истощения будет иметь встроенное электрическое поле. Из-за этого электрического поля электронно-дырочные пары удаляются от перехода. Следовательно, дырки перемещаются к аноду, а электроны перемещаются к катоду, создавая фототок.

Интенсивность поглощения фотона и энергия фотона прямо пропорциональны друг другу. Когда энергия фотографий меньше, поглощение будет больше. Весь этот процесс известен как внутренний фотоэлектрический эффект.

Внутреннее возбуждение и внешнее возбуждение — это два метода, с помощью которых происходит возбуждение фотонов.Процесс собственного возбуждения происходит, когда электрон в валентной зоне возбуждается фотоном в зону проводимости.

Также прочтите «Различные типы датчиков»

Режимы работы фотодиода

Фотодиод работает в трех различных режимах. Это:

Фотоэлектрический режим
Фотоэлектрический режим
Режим лавинного диода

Давайте кратко рассмотрим этот режим.

Фотоэлектрический режим

Это иначе называется режимом нулевого смещения.Этот режим является предпочтительным, когда фотодиод работает в низкочастотных приложениях и в приложениях с ультрауровневым освещением. Когда фотодиод освещается вспышкой света, возникает напряжение. Создаваемое напряжение будет иметь очень маленький динамический диапазон и нелинейную характеристику. Когда фотодиод настроен с OP-AMP в этом режиме, будет очень меньше изменений в зависимости от температуры.

Режим фотопроводимости

В этом режиме фотодиод будет работать в режиме обратного смещения.Катод будет положительным, а анод — отрицательным. Когда обратное напряжение увеличивается, ширина обедненного слоя также увеличивается. Благодаря этому будет уменьшено время отклика и емкость перехода. Для сравнения, этот режим работы быстр и производит электронный шум.

Трансимпедансные усилители используются в качестве предусилителей для фотодиодов. Режимы таких усилителей поддерживают постоянное напряжение, чтобы фотодиод работал в фотопроводящем режиме.

Режим лавинного диода

В этом режиме лавинный диод работает в условиях высокого обратного смещения. Это позволяет умножить лавинный пробой на каждую фотоэлектронно-дырочную пару. Следовательно, это дает внутреннее усиление фотодиода. Внутреннее усиление увеличивает отклик устройства.

Подключение фотодиода к внешней цепи

Фотодиод работает в цепи с обратным смещением. Анод подключен к земле цепи, а катод — к положительному напряжению питания схемы.При освещении светом ток течет от катода к аноду.

Когда фотодиоды используются с внешними цепями, они подключаются к источнику питания в цепи. Сила тока, производимого фотодиодом, будет очень небольшой. Этого значения тока будет недостаточно для управления электронным устройством. Поэтому, когда они подключены к внешнему источнику питания, он подает больший ток в цепь. Итак, в качестве источника питания используется аккумулятор. Источник батареи помогает увеличить значение тока, что помогает внешним устройствам иметь лучшую производительность

Характеристики V-I фотодиода

Фотодиод работает в режиме обратного смещения.Обратные напряжения отложены по оси X в вольтах, а обратные токи отложены по оси Y в микроамперах. Обратный ток не зависит от обратного напряжения. Когда нет световой засветки, обратный ток будет почти нулевым. Минимальное количество имеющегося тока называется темновым током. Один раз при увеличении освещенности обратный ток также линейно увеличивается.

Применение фотодиода

Фотодиоды используются во многих простых повседневных приложениях.Причина их использования — линейный отклик фотодиода на световое излучение. Когда на датчик попадает больше света, он производит большой ток. Увеличение тока будет отображаться на гальванометре, подключенном к цепи.
Фотодиоды помогают обеспечить гальваническую развязку с помощью оптронов. Когда две изолированные цепи освещаются светом, для оптического соединения цепи используются оптроны. Но цепи будут электрически изолированы.По сравнению с обычными устройствами оптопары работают быстрее.
Фотодиоды также используются в электронике безопасности, такой как пожарные и дымовые извещатели. Он также используется в телевизионных установках.
При использовании в камерах они действуют как фотодатчики. Он используется в сцинтилляторах устройств с зарядовой связью, фотопроводниках и фотоэлектронных умножителях.
Фотодиоды также широко используются во многих медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.

Конструкция, типы, работа и применение

Фотодиод — это диод с PN-переходом, который потребляет световую энергию для выработки электрического тока. Иногда его еще называют фотодетектором, светоприемником и фотодатчиком. Эти диоды специально предназначены для работы в условиях обратного смещения, это означает, что сторона P фотодиода связана с отрицательной клеммой батареи, а сторона n подключена к положительной клемме батареи.Этот диод очень сложно зажечь, поэтому, когда свет падает на диод, он легко преобразует свет в электрический ток. Солнечный элемент также называют фотодиодом большой площади, поскольку он преобразует солнечную энергию в электрическую. Однако солнечная батарея работает только при ярком свете.

Что такое фотодиод?

Фотодиод — это один из типов световых детекторов, используемых для преобразования света в ток или напряжение в зависимости от режима работы устройства. В его состав входят оптические фильтры, встроенные линзы, а также поверхности.Эти диоды имеют медленное время отклика при увеличении площади поверхности фотодиода. Фотодиоды похожи на обычные полупроводниковые диоды, но они могут быть видимыми, чтобы свет достигал чувствительной части устройства. Некоторые диоды, предназначенные для использования именно в качестве фотодиода, также будут использовать PIN-переход в некоторой степени, чем обычный PN-переход.

Некоторые фотодиоды выглядят как светодиоды. У них есть два терминала, идущие с конца. Меньший конец диода является выводом катода, а более длинный конец диода — выводом анода.См. Следующую схему для анодной и катодной сторон. В условиях прямого смещения обычный ток будет течь от анода к катоду, следуя стрелке в символе диода. Фототок течет в обратном направлении.

Типы фотодиодов

Несмотря на то, что на рынке доступно множество типов фотодиодов, все они работают на одних и тех же основных принципах, хотя некоторые из них улучшены другими эффектами. Фотодиоды разных типов работают по-разному, но основная работа этих диодов остается неизменной.Типы фотодиодов можно классифицировать в зависимости от их конструкции и функций следующим образом.

PN Фотодиод

Первый разработанный тип фотодиода — это фотодиод PN. По сравнению с другими типами, его производительность не улучшена, но в настоящее время он используется в нескольких приложениях. Фотодетектирование в основном происходит в обедненной области диода. Этот диод довольно маленький, но его чувствительность невелика по сравнению с другими. Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о диоде PN.

PIN Фотодиод

В настоящее время наиболее часто используются фотодиоды PIN типа. Этот диод собирает световые фотоны более мощно по сравнению со стандартным фотодиодом PN, потому что широкая внутренняя область между областями P и N позволяет собирать больше света, и в дополнение к этому он также предлагает более низкую емкость. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о PIN-диоде.

Лавинный фотодиод

Этот вид диодов используется в местах с низкой освещенностью из-за высокого уровня усиления.Он создает высокий уровень шума. Так что эта технология подходит не для всех приложений. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о лавинном диоде.

Фотодиод Шоттки

Фотодиод Шоттки использует диод Шоттки, и он включает в себя небольшой диодный переход, что означает небольшую емкость перехода, поэтому он работает на высоких скоростях. Таким образом, этот вид фотодиодов часто используется в системах оптической связи с высокой пропускной способностью (BW), таких как оптоволоконные линии связи.Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о диоде Шоттки.

Каждый тип фотодиода имеет свои преимущества и недостатки. Выбор этого диода может быть сделан в зависимости от области применения. Различные параметры, которые следует учитывать при выборе фотодиода, в основном включают шум, длину волны, ограничения обратного смещения, усиление и т. Д. Рабочие параметры фотодиода включают чувствительность, квантовую эффективность, время прохождения или время отклика.

Эти диоды широко используются в приложениях, где требуется определение наличия света, цвета, положения, интенсивности.К основным характеристикам этих диодов можно отнести следующее.

Линейность диода хорошая по отношению к падающему свету.
Шум низкий.
Отклик широкий спектр
Механически прочный
Легкий и компактный
Длительный срок службы

Необходимые материалы для изготовления фотодиода и диапазон длин волн электромагнитного спектра включают следующие

Для кремниевого материала электромагнитный Диапазон длин волн спектра будет (190-1100) нм
Для германиевого материала диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-1700) нм
Для материала арсенида индия-галлия диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (800-2600) нм
Для материала сульфида свинца (II) диапазон длин волн электромагнитного спектра будет <1000-3500) нм
Для ртути, материала теллурида кадмия, диапазон длин волн электромагнитного спектра будет (400-14000) нм

Потому что из-за лучшей ширины запрещенной зоны фотодиоды на основе Si производят меньше шума, чем фотодиоды на основе Ge.

Конструкция

Конструкция фотодиода может быть выполнена с использованием двух полупроводников, таких как P-тип и N-тип. В этой конструкции образование материала P-типа может быть выполнено за счет диффузии подложки P-типа, которая слегка легирована. Таким образом, слой ионов P + может быть сформирован благодаря диффузионному методу. На подложке N-типа можно выращивать эпитаксиальный слой N-типа.

Конструкция фотодиода

Создание диффузионного слоя P + может быть выполнено поверх сильно легированного эпитаксиального слоя N-типа.Контакты сделаны из металлов, чтобы образовать две клеммы, такие как анод и катод. Переднюю часть диода можно разделить на два типа: активные и неактивные поверхности.

Проектирование неактивной поверхности может быть выполнено с помощью диоксида кремния (SiO2). На активной поверхности световые лучи могут попадать на нее, тогда как на неактивной поверхности световые лучи не могут попадать. Активная поверхность может быть покрыта антиотражающим материалом, так что энергия света не может теряться, а самая высокая из нее может быть преобразована в ток.

Работа фотодиода

Принцип работы фотодиода заключается в том, что когда фотон большой энергии попадает в диод, он образует пару электронов и дырок. Этот механизм также называют внутренним фотоэффектом. Если поглощение возникает в переходе обедненной области, то носители удаляются из перехода внутренним электрическим полем обедненной области.

Принцип работы фотодиода

Следовательно, дырки в этой области движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, и будет генерироваться фототок.Полный ток через диод — это сумма отсутствия света и фототока. Таким образом, отсутствующий ток должен быть уменьшен, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

Режимы работы

Рабочие режимы фотодиода включают три режима, а именно фотоэлектрический режим, фотопроводящий режим, лавинный режим диода

Фотоэлектрический режим: Этот режим также известен как режим нулевого смещения, в котором напряжение производится освещенным фотодиодом. Это дает очень маленький динамический диапазон и нелинейную необходимость формируемого напряжения.

Режим фотопроводимости: Фотодиод, используемый в этом режиме фотопроводимости, обычно имеет обратное смещение. Приложение обратного напряжения увеличит ширину обедненного слоя, что, в свою очередь, уменьшит время отклика и емкость перехода. Этот режим слишком быстрый и отображает электронный шум.

Режим лавинного диода: Лавинные диоды работают в условиях высокого обратного смещения, что позволяет увеличить лавинный пробой для каждой пары электрон-дырка, образовавшейся на фото.Этот результат — внутреннее усиление фотодиода, которое медленно увеличивает отклик устройства.

Почему фотодиод работает в режиме обратного смещения?

Фотодиод работает в режиме фотопроводимости. Когда диод подключен с обратным смещением, ширина обедненного слоя может быть увеличена. Таким образом, это уменьшит емкость перехода и время отклика. Фактически, это смещение приведет к более быстрому срабатыванию диода. Таким образом, соотношение между фототоком и освещением линейно пропорционально.

Какой фотодиод или фототранзистор лучше?

И фотодиод, и фототранзистор используются для преобразования энергии света в электрическую. Однако фототранзистор более чувствителен по сравнению с фотодиодом из-за использования транзистора.

Транзистор изменяет базовый ток, который возникает из-за поглощения света, и поэтому большой выходной ток может быть получен через вывод коллектора транзистора. Время отклика фотодиодов очень быстрое по сравнению с фототранзистором.Так что это применимо там, где происходят колебания в цепи. Для лучшего понимания здесь мы перечислили некоторые особенности фотодиода и фоторезистора.

Фотодиод	Фототранзистор
Полупроводниковое устройство, преобразующее энергию света в электрический ток, называется фотодиодом.	Фототранзистор используется для преобразования энергии света в электрический ток с помощью транзистора.
Он генерирует как ток, так и напряжение	Он генерирует ток
Время отклика — скорость	Время отклика медленное
Он менее отзывчивый по сравнению с фототранзистором	Он отзывчивый и генерирует огромный перегрузочный ток.
Этот диод работает в обоих условиях смещения	Этот диод работает только в режиме прямого смещения.
Он используется в люксметре, солнечной электростанции и т. Д.	Он используется для обнаружения света

Схема фотодиода

Принципиальная схема фотодиода показана ниже.Эта схема может быть построена с резистором 10 кОм и фотодиодом. Как только фотодиод замечает свет, он пропускает через него некоторый ток. Сумма тока, протекающего через этот диод, может быть прямо пропорциональна сумме света, проходящего через диод. Принципиальная схема

Подключение фотодиода к внешней цепи

В любом приложении фотодиод работает в режиме обратного смещения. Анодный вывод схемы может быть подключен к земле, тогда как катодный вывод подключен к источнику питания.После освещения через свет, ток течет от катодного вывода к анодному выводу.

Когда фотодиоды используются во внешних цепях, они подключаются к источнику питания внутри цепи. Таким образом, количество тока, генерируемого фотодиодом, будет чрезвычайно мало, поэтому этого значения недостаточно для изготовления электронного устройства.

Когда они подключены к внешнему источнику питания, он подает больший ток в цепь. В этой схеме аккумулятор используется в качестве источника питания, чтобы помочь увеличить значение тока, чтобы внешние устройства обеспечивали лучшую производительность.

КПД фотодиода

Квантовая эффективность фотодиода может быть определена как деление поглощенных фотонов, которые отдают фототоку. Для этих диодов это открыто связано с чувствительностью «S» без эффекта лавины, тогда фототок можно выразить как

I = S P = ηe / hv. P

Где,

‘η’ — квантовая эффективность

‘e’ — заряд электрона

‘hν’ энергия фотона

Квантовая эффективность

фотодиодов чрезвычайно высока.В некоторых случаях оно будет выше 95%, однако сильно зависит от длины волны. Высокая квантовая эффективность требует контроля отражений помимо высокой внутренней эффективности, такой как антибликовое покрытие.

Чувствительность

Чувствительность фотодиода — это отношение генерируемого фототока, а также поглощенной оптической мощности, которая может быть определена в пределах линейного участка отклика. В фотодиодах он обычно максимален в области длин волн, где энергия фотонов значительно выше, чем энергия запрещенной зоны, и уменьшается в пределах запрещенной зоны, где уменьшается поглощение.

Расчет фотодиода может быть выполнен на основе следующего уравнения

R = η (e / hv)

Здесь в приведенном выше уравнении «h ν» — энергия фотона; «Η» — это эффективность кванта, а «e» — заряд элементарного. Например, квантовая эффективность фотодиода составляет 90% на длине волны 800 нм, тогда чувствительность будет 0,58 А / Вт.

Для фотоумножителей и лавинных фотодиодов существует дополнительный коэффициент для умножения внутреннего тока, поэтому возможные значения будут выше 1 А / Вт.Как правило, умножение тока не входит в квантовую эффективность.

PIN фотодиод против фотодиода PN

Оба фотодиода, такие как PN и PIN, можно приобрести у многих поставщиков. Выбор фотодиода очень важен при проектировании схемы на основе требуемых характеристик, а также характеристик.
PN-фотодиод не работает с обратным смещением, и, следовательно, он больше подходит для приложений с низким освещением, чтобы улучшить характеристики шума.

PIN-фотодиод, работающий в режиме обратного смещения, может вносить ток шума для уменьшения отношения сигнал / шум
Для приложений с широким динамическим диапазоном обратное смещение дает хорошие характеристики
Для приложений с высокой полосой пропускания обратное смещение обеспечивает хорошие характеристики, например емкость между областями P&N и накопительная емкость заряда мала.

Преимущества

К преимуществам фотодиода относятся следующие.

Меньшее сопротивление
Быстрая и высокая скорость работы
Длительный срок службы
Самый быстрый фотодетектор
Хорошая спектральная характеристика
Не использует высокое напряжение
Частотная характеристика хорошая
Прочная и легкая
Он очень чувствителен к свету.
Темновой ток отсутствует
Высокая квантовая эффективность
Меньше шума

Недостатки

К недостаткам фотодиода можно отнести следующее.

Низкая температурная стабильность
Изменение тока чрезвычайно мало, поэтому может быть недостаточно для управления схемой
Малая активная область
Обычный фотодиод с PN-переходом имеет высокое время отклика
Он имеет меньшую чувствительность
Он в основном работает в зависимости от температуры.
Он использует напряжение смещения.

Применения фотодиода

Применения фотодиодов включают аналогичные применения фотодетекторов, таких как устройства с зарядовой связью, фотопроводники и фотоумножители.
Эти диоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как детекторы дыма, проигрыватели компакт-дисков, а также телевизоры и пульты дистанционного управления в видеомагнитофонах.
В других потребительских устройствах, таких как радиочасы, фотометры и уличные фонари, чаще используются фотопроводники, а не фотодиоды.
Фотодиоды часто используются для точного измерения интенсивности света в науке и промышленности. Как правило, они имеют улучшенный, более линейный отклик, чем фотопроводники.
Фотодиоды также широко используются во многих медицинских приложениях, таких как инструменты для анализа образцов, детекторы для компьютерной томографии, а также используются в мониторах газов крови.
Эти диоды намного быстрее и сложнее обычных диодов с PN переходом и поэтому часто используются для регулирования освещения и в оптической связи.

V-I Характеристики фотодиода

Фотодиод постоянно работает в режиме обратного смещения. Характеристики фотодиода четко показаны на следующем рисунке, фототок почти не зависит от приложенного напряжения обратного смещения.При нулевой яркости фототок почти равен нулю, за исключением небольшого темнового тока. Он порядка наноампер. С увеличением оптической мощности фототок также увеличивается линейно. Максимальный фототок является неполным из-за рассеиваемой мощности фотодиода.

Характеристики
Итак, остановимся на принципе работы, характеристиках и применении фотодиода. Оптоэлектронные устройства, такие как фотодиоды, доступны в различных типах, которые используются почти во всех электронных устройствах.Эти диоды используются с источниками инфракрасного света, такими как неон, лазерные светодиоды и флуоресцентные лампы. По сравнению с другими светодиодами эти светодиоды не дорогие. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации электрических и электронных проектов для студентов инженерных специальностей. Пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова функция фотодиода ?
Источники фото:
ОСНОВЫ ФОТОДИОДОВ — Волновая электроника
Что такое фотодиод?
Фотодиод — это полупроводниковый прибор с P-N переходом, который преобразует фотоны (или свет) в электрический ток.В слое P много дырок (положительно), а в слое N — электронов (отрицательно). Фотодиоды могут быть изготовлены из различных материалов, включая, помимо прочего, кремний, германий и арсенид индия, галлия. Каждый материал обладает разными свойствами, обеспечивающими экономическую выгоду, повышенную чувствительность, диапазон длин волн, низкий уровень шума или даже скорость отклика.
На рисунке 1 показано поперечное сечение типичного фотодиода. Область обеднения образуется в результате диффузии электронов из слоя N в слой P и диффузии дырок из слоя P в слой N.Это создает область между двумя слоями, где отсутствуют свободные носители. Это создает встроенное напряжение для создания электрического поля в области истощения. Это позволяет току течь только в одном направлении (от анода к катоду). Фотодиод может быть смещен в прямом направлении, но генерируемый ток будет течь в противоположном направлении. Вот почему большинство фотодиодов имеют обратное смещение или вообще не смещены. Некоторые фотодиоды не могут быть смещены вперед без повреждения
.
Фотон может ударить атом внутри устройства и высвободить электрон, если у фотона достаточно энергии.Это создает пару электрон-дырка (e- и h +), где дырка — это просто «пустое пространство» для электрона. Если фотоны поглощаются слоями P или N, пары дырок электронов будут рекомбинированы в материалах с выделением тепла, если они находятся достаточно далеко (по крайней мере, на одну длину диффузии) от обедненной области. Фотоны, поглощенные в области истощения (или около нее), будут создавать пары электронных дырок, которые будут перемещаться к противоположным концам из-за электрического поля. Электроны будут двигаться к положительному потенциалу на катоде, а дырки будут двигаться к отрицательному потенциалу на аноде.Эти движущиеся носители заряда образуют ток (фототок) в фотодиоде. На рис. 1 показаны различные слои фотодиода (P-N переход), а также несколько точек подключения сверху и снизу.
Рис. 1. Поперечное сечение фотодиода P-N
Область истощения создает емкость в фотодиоде, где границы области действуют как пластины конденсатора с параллельными пластинами. Емкость обратно пропорциональна ширине обедненной области.Напряжение обратного смещения также влияет на емкость области.
Ключевые рабочие характеристики
Существует четыре основных параметра, используемых при выборе правильного фотодиода, а также при выборе обратного смещения фотодиода.
Отклик (скорость / время) фотодиода определяется емкостью P-N перехода. Это время, необходимое носителям заряда, чтобы пересечь P-N переход. На это напрямую влияет ширина обедненной области.
Чувствительность — это отношение фототока, генерируемого падающим светом, к мощности падающего света. Обычно это выражается в единицах A / W (превышение тока над мощностью). Типичная кривая чувствительности фотодиода показывает зависимость A / W от длины волны. Это называется квантовой эффективностью.
Темновой ток — это ток в фотодиоде при отсутствии падающего света. Это может быть одним из основных источников шума в фотодиодной системе. Фототок фонового излучения также может быть включен в это измерение.Фотодиоды обычно помещаются в корпус
, который не позволяет свету попадать на фотодиод для измерения темнового тока. Поскольку ток, генерируемый фотодиодом, может быть очень небольшим, уровни темнового тока могут скрывать ток, создаваемый падающим светом при низких уровнях освещенности. Темновой ток увеличивается с повышением температуры. Без смещения темновой ток может быть очень низким. Идеальный фотодиод не имел бы темнового тока.
Напряжение пробоя — это наибольшее обратное напряжение, которое может быть приложено к фотодиоду до экспоненциального увеличения тока утечки или темнового тока.Фотодиоды должны работать ниже этого максимального приложенного обратного смещения, иначе может произойти повреждение фотодиода. Напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры.
Другие важные параметры включают материал, размер фотодиода и активной области, а также стоимость. При поиске фотодиодов для исследования или приложения необходимо внимательно отнестись к этому вопросу. Фотодиоды, изготовленные из разных материалов (кремний, германий, фосфид арсенида галлия индия или арсенид галлия индия), имеют разные уровни чувствительности, а также разные скорости и темновой ток.Кремний, например, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 400 до 1000 нм. Однако он имеет самую высокую чувствительность на более высоких длинах волн (~ 900 нм). Германий, с другой стороны, обеспечивает чувствительность для длин волн от ~ 800 до 1600 нм (с пиком ~ 1400 нм). Материал фотодиода имеет решающее значение при выборе подходящего фотодиода для включения в вашу систему лазерных диодов.
Типы фотодиодов
СОЕДИНЕНИЕ P-N
Это самый простой фотодиод.Физика работы фотодиода на P-N-переходе была рассмотрена ранее. Фотодиоды PIN и APD являются вариациями от P-N перехода.
Область истощения содержит несколько свободных носителей заряда, и шириной области истощения можно управлять, добавляя смещение напряжения.
Ток, проходящий через фотодиод, может течь только в одном направлении в зависимости от материалов, легированных P и N. При обратном смещении ток не будет проходить через фотодиод без падающего света, создающего фототок.
PIN ФОТОДИОД
PIN-фотодиод похож на P-N переход с одним существенным отличием. Вместо того, чтобы размещать слои P и N вместе для создания обедненной области, внутренний слой помещается между двумя легированными слоями. Этот слой показан на рис. 2 . Этот внутренний слой обладает высоким сопротивлением и увеличивает напряженность электрического поля в фотодиоде. У добавленного внутреннего слоя есть много преимуществ, поскольку область истощения значительно увеличивается.
Емкость перехода уменьшилась, и поэтому скорость фотодиода увеличилась. Увеличенный слой также обеспечивает больший объем преобразования фотонов в электронно-дырочные и более высокую квантовую эффективность.
Рис. 2. Поперечное сечение контактного фотодиода
Фотодиоды
PIN также имеют высокую частотную характеристику. Основное преимущество PIN-фотодиода по сравнению с P-N переходом — это высокая скорость отклика от увеличенной области обеднения.
ФОТОДИОД ЛАВИНЫ
Лавинные фотодиоды (APD) используют ударную ионизацию (лавинный эффект) для создания внутреннего усиления материала. Для APD требуется высокое обратное смещение (близкое к обратному напряжению пробоя). Каждый фото-сгенерированный носитель создает больше пар и, таким образом, умножается на лавинный пробой. Это создает внутреннее усиление внутри фотодиода, что, в свою очередь, увеличивает эффективную чувствительность (больший ток
, генерируемый на фотон). На рис. 3 показано поперечное сечение ЛФД.
Типичный диапазон спектрального отклика составляет около 300 — 1100 нм. Текущий шум в APD выше, чем в фотодиоде PIN, но усиление сигнала намного больше, что делает отношение сигнал / шум выше в APD. APD обычно имеют более высокую скорость отклика и способность обнаруживать или измерять свет на более низких уровнях.
Рис. 3. Поперечное сечение APD
Режимы работы
РЕЖИМ «ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ» БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Фотодиоды
могут работать без смещения напряжения.APD предназначены для обратного смещения, поэтому этот раздел будет иметь отношение к фотодиодам P-N и PIN. Без добавления напряжения на переходе темновой ток может быть чрезвычайно низким (близким к нулю). Это снижает общий шумовой ток системы. Таким образом, несмещенные фотодиоды P-N или PIN лучше подходят для приложений с низким уровнем освещенности по сравнению с работой со смещением обратного напряжения. (ЛФД с обратным смещением будет по-прежнему обеспечивать более высокую чувствительность, чем фотодиоды P-N или PIN для приложений с низким освещением.) Несмещенные фотодиоды также могут хорошо работать для низкочастотных приложений (до 350 кГц). Несмещенный режим (где V = 0) можно увидеть на рисунке 4 между режимом прямого смещения (зеленым) и режимом обратного смещения (синим). График показывает очень мало темнового тока, если он вообще есть, без смещения, что можно увидеть по отсутствию тока на пересечении кривой ВАХ при V = 0.
Когда светится фотодиод, электрическое поле в обедненной области увеличивается. Это создает фототок, который увеличивается с увеличением потока фотонов.Это чаще всего наблюдается в солнечных элементах, где генерируемое напряжение измеряется между двумя клеммами.
По сравнению с режимом смещения, фотоэлектрический режим имеет меньшее изменение чувствительности фототока в зависимости от температуры.
Основным недостатком объективных фотодиодов является низкая скорость отклика. Без смещения к системе емкость фотодиода максимальна, что приводит к снижению скорости.
РЕЖИМ «ФОТОПРОВОДНИК» ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Когда фотодиод имеет обратное смещение, на переход P-N подается внешнее напряжение.Отрицательный вывод подключается к положительному слою P, а положительный вывод подключается к отрицательному слою N. Это заставляет свободные электроны в слое N тянуться к положительному выводу, а дырки в слое P — к отрицательному выводу. Когда на фотодиод подается внешнее напряжение, свободные электроны начинаются с отрицательного вывода и сразу заполняют дырки в P-слое электронами. Это создает в атомах отрицательные ионы с дополнительными электронами.Затем заряженные атомы противодействуют потоку свободных электронов к P-слою. Точно так же дырки производят положительные ионы примерно так же, но в противоположном направлении. При обратном смещении ток будет течь только через фотодиод, а падающий свет будет создавать фототок.
Обратное смещение приводит к увеличению потенциала в области истощения и увеличению ширины области истощения. Это идеально подходит для создания большой площади для поглощения максимального количества фотонов.
Время отклика сокращается за счет обратного смещения за счет увеличения размера обедненного слоя. Эта увеличенная ширина уменьшает емкость перехода и увеличивает скорость дрейфа носителей в фотодиоде. Время доставки перевозчиков сокращается, улучшая время отклика.
К сожалению, увеличение тока смещения увеличивает темновой ток. Этот шум может быть проблемой для очень чувствительных систем, использующих фотодиоды P-N или PIN. Это мешает работе в условиях низкой освещенности.При использовании ЛФД отношение сигнал / шум будет большим независимо от коэффициента усиления фотодиода. Поскольку фотон идеально поглощается в обедненной области, слой P может быть очень тонким. Это можно сбалансировать с помощью обратного смещения, чтобы создать оптимальный фотодиод с более быстрым временем отклика при сохранении как можно более низкого уровня шума.
Еще одним преимуществом работы с обратным смещением является линейный выход (прямая линия в синей части на рис. 4 , ) фотодиода по отношению к освещению.Это просто означает, что напряжение и ток изменяются линейно (прямо пропорционально) с увеличением оптической мощности. Также можно увидеть нелинейность участка прямого смещения (зеленого цвета).
Рисунок 4 показывает участок обратного смещения (синий) с напряжением пробоя рядом с ним (красным). Фотодиоды не должны работать сверх напряжения пробоя. Это повредит фотодиод.
Рис. 4. ВАХ фотодиодов. I ₀ — Темновой ток.I _P — фототок. P показывает ток при разных уровнях освещенности (P ₀ — отсутствие падающего света).
Интеграция с лазерным диодом
Контрольный фотодиод часто интегрируется в корпус лазерного диода производителем лазерного диода. Он производит ток, частично пропорциональный выходной оптической мощности лазерного диода. Если в качестве обратной связи используется ток фотодиода, система управления будет пытаться поддерживать постоянный ток фотодиода (и, следовательно, оптическую мощность лазерного диода).Выходной сигнал регулируемого источника тока будет изменяться, чтобы поддерживать уровень оптической мощности одинаковым (это называется режимом постоянной мощности (CP)). Ток фотодиода и выходная мощность лазерного диода связаны передаточной функцией, приведенной в техническом описании лазерного диода.
Фотодиоды могут не только контролировать выходную мощность постоянного или непрерывного излучения лазера, подавая ток обратно в лазерную систему, они также могут проверять форму лазерного импульса и регистрировать пиковые мощности лазерного импульса.
Информация в таблицах данных для фотодиодов включает четыре основных компонента, обсуждавшихся ранее, тип фотодиода, длины волн пиковой чувствительности и, самое главное, размер и стоимость.
Фотодиоды, которые уже встроены в систему лазерных диодов, могут иметь ограниченные возможности и информацию. В технических паспортах лазеров обычно указывается максимальное обратное напряжение, а иногда и чувствительность фотодиода.
Если характеристики фотодиода чрезвычайно важны для конструкции вашего лазера, для удовлетворения ваших потребностей могут потребоваться специальные сборки или сборки.
Сводка
При принятии решения об обратном смещении фотодиода все сводится к уравновешиванию скорости и шума и принятию решения о том, что является наиболее важным.Если ваше приложение зависит от чрезвычайно низкого уровня шума и низкого темнового тока, вам следует отказаться от смещения фотодиода. Если скорость является вашей главной заботой, вы должны выбрать обратное смещение вашего фотодиода, поскольку время отклика улучшается. Другими словами, если ваше приложение
основано на точности, фотоэлектрический режим лучше подойдет вам. Если ваше приложение основано на скорости (высокой), режим фотопроводимости или режим с обратным смещением лучше подходят для этой области.
Обратное смещение фотодиода будет намного более отзывчивым, чем режим без смещения.При работе в фотоэлектрическом режиме может потребоваться усиление отклика.
Тип фотодиода также может повлиять на ваше решение о смещении. Некоторые типы фотодиодов могут иметь только обратное смещение, а другие могут иметь усиление отклика внутри системы. ЛФД будут эффективны в условиях низкой освещенности, когда чувствительность критична, но они дороги, фотодиоды P-N представляют собой самую простую конструкцию и не используются широко, а фотодиоды с PIN-кодом являются наиболее распространенными и самыми дешевыми фотодиодами с очень низким уровнем шума.Как обсуждалось ранее, материалы, размер и стоимость также влияют на тип фотодиода, необходимого для данного приложения. Таблица 1 показывает упрощенную диаграмму, сравнивающую три разных фотодиода.
Таблица 1. Сравнительная таблица
P-N ПИН APD
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ Лучшее Хорошо Плохо
ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ Хорошо Лучшее Хорошо
НИЗКИЙ СВЕТ Плохо Хорошо Лучшее
СТОИМОСТЬ Лучшее Хорошо Плохо
НИЗКИЙ ШУМ Хорошо Лучшее Плохо
Что такое фотодиод? Определение, принцип, конструкция, работа, характеристики, преимущества, недостатки и применение фотодиода
Определение : Особый тип устройства с PN-переходом, который генерирует ток при воздействии света, известен как фотодиод.Он также известен как фотоприемник или фотосенсор. Он работает в режиме обратного смещения, и преобразует световую энергию в электрическую энергию .
На рисунке ниже показано символическое изображение фотодиода:
Принцип фотодиода
Работает по принципу Фотоэлектрический эффект .
Принцип работы фотодиода таков, что когда светится переход этого двухконтактного полупроводникового прибора, через него начинает течь электрический ток.Только неосновной ток течет через устройство, когда к нему приложен определенный обратный потенциал.
Конструкция фотодиода
На рисунке ниже показаны детали конструкции фотодиода:
PN-переход устройства помещен внутри стеклянного материала. Это делается для того, чтобы световая энергия могла проходить через него. Поскольку излучению подвергается только переход, другая часть стеклянного материала окрашивается в черный цвет или металлизируется.
Весь блок имеет очень маленькие размеры около 2,5 мм .
Примечательно, что ток, протекающий через устройство, составляет мкА, и измеряется амперметром.
Режимы работы фотодиода
Фотодиод в основном работает в двух режимах:
Фотоэлектрический режим : Он также известен как режим с нулевым смещением, поскольку на устройство не подается внешний обратный потенциал. Однако поток неосновного носителя будет иметь место, когда устройство подвергнется воздействию света.
Режим фотопроводимости : Когда к устройству прикладывается определенный обратный потенциал, оно ведет себя как фотопроводящее устройство. Здесь видно увеличение ширины обеднения с соответствующим изменением обратного напряжения.
Давайте теперь разберемся с детальной схемой и работой фотодиода.
Работа фотодиода
В фотодиоде через устройство протекает очень небольшой обратный ток, который называется темновым током .Он называется так, потому что этот ток полностью является результатом потока неосновных носителей и, таким образом, течет, когда устройство не подвергается воздействию излучения.
Электроны на стороне p и дырки на стороне n являются неосновными носителями. Когда прикладывается определенное напряжение с обратным смещением, а затем неосновная несущая, дыры с n-стороны испытывают силу отталкивания от положительного потенциала батареи.
Точно так же электроны, присутствующие на стороне p, испытывают отталкивание от отрицательного потенциала батареи.Из-за этого движения электрон и дырка рекомбинируют на стыке, что приводит к образованию обедненной области на стыке.
Из-за этого движения через устройство протекает очень небольшой обратный ток, известный как темновой ток.
Комбинация электрона и дырки на стыке порождает нейтральный атом при обеднении. Из-за чего дальнейшее прохождение тока ограничено.
Теперь место соединения устройства освещено светом. Когда свет падает на поверхность соединения, температура соединения увеличивается.Это приводит к тому, что электрон и дырка отделяются друг от друга.
Когда они разделяются, электроны со стороны n притягиваются к положительному потенциалу батареи. Точно так же отверстия на стороне p притягиваются к отрицательному потенциалу батареи.
Это движение вызывает сильный обратный ток через устройство.
С увеличением интенсивности света генерируется больше носителей заряда, которые проходят через устройство. Таким образом, через устройство вырабатывается большой электрический ток.
Этот ток затем используется для управления другими цепями системы.
Итак, мы можем сказать, что интенсивность световой энергии прямо пропорциональна току, протекающему через устройство.
Только положительный смещенный потенциал может отключить устройство от тока в случае фотодиода.
Характеристики фотодиода
На рисунке ниже показана характеристика VI фотодиода:
Здесь вертикальная линия представляет обратный ток, протекающий через устройство, а горизонтальная линия представляет потенциал обратного смещения.
Первая кривая представляет темновой ток, который генерируется неосновными носителями в отсутствие света.
Как мы можем видеть на приведенном выше рисунке, все кривые показывают почти равные промежутки между ними. Это так, потому что ток пропорционально увеличивается со световым потоком.
На рисунке ниже показана кривая тока в зависимости от освещенности:
Здесь следует отметить, что обратный ток не показывает значительного увеличения с увеличением обратного потенциала.

Преимущества фотодиода
Быстро реагирует на свет.
Фотодиод обеспечивает высокую скорость работы.
Обеспечивает линейный отклик.
Это недорогое устройство.
Недостатки фотодиода
Это устройство, зависящее от температуры. И показывает плохую температурную стабильность.
При слабом освещении необходимо усиление.
Применение фотодиода
Фотодиоды в основном находят свое применение в счетчиках и схемах переключения.
Фотодиоды широко используются в системах оптической связи.
В логических схемах и энкодерах также используется фотодиод.
Широко используется в системах охранной сигнализации. В таких системах сигнализации до тех пор, пока не будет прервано воздействие радиации, течет ток. Поскольку световая энергия не попадает на устройство, он подает сигнал тревоги.
В случае типичного фотодиода нормальный обратный ток составляет десятки микроампер.
Фотодиод
Принцип работы »Электроника
Понимание того, как работают фотодиоды, помогает использовать их более эффективно.
Учебное пособие по фотодиоду Включает:
Фотодиодная технология Фотодиоды PN и PIN Лавинный фотодиод Фотодиод Шоттки Фотодиодные конструкции Теория фотодиода
Другие диоды: Типы диодов
Существует несколько различных типов фотодиодов: все они используют один и тот же базовый квантовый принцип, но реализация теории работы немного отличается для каждого типа.
Различия в работе различных типов фотодиодов позволяют использовать их индивидуальные характеристики по-разному, и таким образом можно максимизировать их преимущества и получить лучшую работу схемы.
Для этого необходимо иметь базовое представление о том, как они работают.
Основы теории работы фотодиода
Световую энергию можно рассматривать в терминах фотонов или пакетов света. Когда фотон с достаточной энергией попадает в область обеднения полупроводникового диода, он может ударить по атому с энергией, достаточной для высвобождения электрона из атомной структуры.Это создает свободный электрон и дырку (то есть атом с пространством для электрона). Электрон заряжен отрицательно, а дырка — положительно.
Электроны и дырки могут оставаться свободными, или другие электроны могут объединяться с дырками, снова образуя полные атомы в кристаллической решетке. Однако возможно, что электроны и дырки останутся свободными и будут унесены из обедненной области внешним полем. Таким образом, ток через диод изменится и возникнет фототок.
Работа фотодиода PIN / PN
Фотодиод работает при умеренном обратном смещении. Это сохраняет слой истощения свободным от каких-либо носителей, и обычно ток не течет. Однако, когда световой фотон попадает во внутреннюю область, он может ударить по атому в кристаллической решетке и выбить электрон. Таким образом образуется пара дырка-электрон. Дырка и электрон будут затем мигрировать в противоположных направлениях под действием электрического поля через внутреннюю область, и можно увидеть, как течет небольшой ток.Обнаружено, что величина тока пропорциональна количеству света, попадающего во внутреннюю область. Чем больше света, тем большее количество пар дырочных электронов генерируется и тем больше протекает ток.
Рабочие диоды при обратном смещении увеличивают чувствительность, поскольку расширяют обедненный слой, в котором происходит фотоэффект. Таким образом, увеличение обратного смещения увеличивает активную площадь фотодиода и усиливает то, что можно назвать фототоком.
Типовая структура фотодиода с PIN-кодом
Также возможно работать с фотодиодами в условиях нулевого смещения в так называемом фотоэлектрическом режиме. При нулевом смещении свет, падающий на диод, вызывает ток через устройство, приводя к прямому смещению, которое, в свою очередь, индуцирует «темновой ток» в направлении, противоположном фототоку. Это называется фотоэлектрическим эффектом и является основой солнечных элементов. Следовательно, можно построить солнечный элемент, используя большое количество отдельных фотодиодов.Также, когда фотодиоды используются в солнечном элементе, диоды делают больше, чтобы иметь большую активную площадь, и они могут выдерживать более высокие токи. Для тех, которые используются для приложений передачи данных, скорость обычно очень важна, а диодные переходы меньше, чтобы уменьшить влияние емкости.
Когда фотодиод не подвергается воздействию света, он следует нормальной характеристике V-I, ожидаемой от диода. В обратном направлении ток практически не течет, но в прямом направлении он неуклонно увеличивается, особенно после достижения напряжения колена или включения.Это изменяется при наличии света. При использовании в качестве фотодиода видно, что наибольший эффект наблюдается в обратном направлении. Здесь заметны самые большие изменения, и нормальный прямой ток не маскирует эффекты, связанные со светом.
Срабатывание лавинного диода
Свет попадает в нелегированную область лавинного фотодиода и вызывает образование пар дырка-электрон. Под действием электрического поля электроны перемещаются в область лавины.Здесь электрическое поле заставляет их скорость увеличиваться до такой степени, что столкновения с кристаллической решеткой создают дополнительные пары дырочных электронов. В свою очередь, эти электроны могут сталкиваться с кристаллической решеткой, создавая еще больше дырочных электронных пар. Таким образом, один электрон, созданный светом в нелегированной области, может привести к созданию гораздо большего числа электронов.
Лавинный фотодиод имеет ряд отличий от обычного PIN-диода. Лавинный процесс означает, что один электрон, созданный светом в нелегированной области, умножается в несколько раз за счет лавинообразного процесса.В результате лавинный фотодиод намного более чувствителен. Однако обнаружено, что это не так линейно, и, кроме того, лавинный процесс означает, что результирующий сигнал намного более шумный, чем сигнал от p-i-n диода.
Структура лавинного ПИН-фотодиода
Структура лавинного диода также более сложна. Вокруг p-n перехода требуется защитное кольцо n-типа, чтобы минимизировать электрическое поле по краю перехода. Также обнаружено, что коэффициент усиления по току зависит не только от приложенного смещения, но и от тепловых флуктуаций.В результате необходимо обеспечить размещение устройств на подходящем радиаторе.
Различные типы фотодиодов имеют несколько разные режимы работы, но все основаны на одном и том же основном принципе работы. Поскольку разные типы имеют разные характеристики, можно выбрать правильный тип, который наилучшим образом соответствует потребностям рассматриваемой цепи.
Другие электронные компоненты:
резисторов Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .
VI Характеристики оптического фотодиода
Цель
Для изучения характеристик VI фотодиода при прямом смещении
Необходимое оборудование
☞ Волоконная оптика Фотодиодный модуль -01
☞Пластиковый волоконный кабель 1 метр — 01
☞Мультиметр — 01
☞Адаптер + 12V / DC — 01
☞Патч-аккорды — 04
Теория VI характеристик оптического фотодиода
Принцип фотодиода
Фотодиоды — часто используемые фотодетекторы.Это полупроводниковые устройства, которые содержат p – n-переход и часто собственный (нелегированный) слой между n- и p-слоями. Устройства с внутренним слоем называются фотодиодами P-I-N или PIN. Свет, поглощаемый в обедненной или собственной области, генерирует электронно-дырочные пары, большая часть которых вносит вклад в фототок. Фототок может быть довольно точно пропорционален интенсивности поглощенного (или падающего) света в широком диапазоне оптических сил.
Режимы работы
Фотодиоды
могут работать в двух очень разных режимах:
1) Фотоэлектрический режим:
В этом процессе, как и в солнечном элементе, освещенный фотодиод генерирует напряжение, которое можно измерить.Однако зависимость этого напряжения от мощности света нелинейна, а динамический диапазон довольно мал. Также не достигается максимальная скорость.
2) Режим фотопроводимости:
Здесь на диод подается обратное напряжение (т.е. напряжение в направлении, где диод не проводит ток без падающего света) и измеряется результирующий фототок. (Также может быть достаточно поддерживать приложенное напряжение близким к нулю.) Зависимость фототока от мощности света может быть очень линейной на шести или более порядках величины мощности света, т.е.г. в диапазоне от нескольких нановатт до десятков милливатт для кремниевого p − i − n-фотодиода с активной площадью несколько мм2. Величина обратного напряжения почти не влияет на фототок и лишь слабо влияет на (обычно небольшой) темновой ток (полученный без света), но более высокое напряжение имеет тенденцию ускорять реакцию, а также увеличивает нагрев устройства. .
Операция прямого смещения
Процедура
☞Подключите адаптер +12 В Фотодиодный модуль.
☞Измерьте последовательное сопротивление R.
☞Включите (sw1) фотодиодный модуль и мультиметр.
☞Подключите щуп мультиметра: положительный полюс к P5, а отрицательный — к заземлению P6.
☞Теперь мы получаем выход постоянного напряжения на мультиметре и меняем диапазон потенциометра от минимального до максимального (от 0 В до 5 В).
☞ Соедините контрольную точку P5 и P3, контрольную точку P6 и P4 с помощью патч-хорды.
☞ Держите горшок-метр в минимальном положении.
☞Теперь измените минимальное и максимальное значение потенциометра и запишите показания резистора по напряжению (Vr) и диода по напряжению (Vd).
☞Сложите все показания в таблице ниже.
☞А зависимость напряжения пластины от тока.
Табличный столбец
Сопротивление серии
R = 150 Ом
График модели
Результат
Таким образом, была нанесена ВИ-характеристика оптического фотодиода при прямом смещении.
Характеристики фотодиода Аппарат
Аппарат с характеристиками фотодиода
Характеристики фотодиода Аппарат
Фотодиод — это тип фотодетектора, способный преобразовывать свет в ток или напряжение, в зависимости от режима работы.Фотодиоды похожи на обычные полупроводниковые диоды, за исключением того, что они могут быть открыты или упакованы с окном. Многие диоды, предназначенные специально для использования в качестве фотодиода, также будут использовать PIN-переход, а не типичный PN-переход.
Принцип: Когда фотон достаточной энергии попадает в диод, он возбуждает электрон, тем самым создавая свободный электрон и дырку (положительно заряженный электрон). Если поглощение происходит в обедненной области перехода или на расстоянии одной диффузионной длины от нее, эти носители уносятся из перехода встроенным полем обедненной области.Таким образом, дырки движутся к аноду, а электроны — к катоду, и возникает фототок.
Есть два режима работы фотодиода: фотоэлектрический режим и фотопроводящий режим. В настоящем исследовании фотодиоды работают в фотопроводящем режиме. В этом режиме диод работает с обратным смещением. Обратное смещение индуцирует только небольшой ток (известный как ток насыщения или обратный ток) вдоль своего направления, в то время как фототок остается практически неизменным.Фототок линейно пропорционален освещенности.
Процедура: Фотодиод подключается по схеме обратного смещения, и прикладываемое к фотодиоду напряжение изменяется, и соответствующий ток измеряется для нулевого освещения. Результат занесен в таблицу и нанесен на график. Теперь свет падает на фотодиод (разные интенсивности), и соответствующие обратные ВАХ фотодиода сведены в таблицу и нанесены на график (как показано на рис.).
Инструмент Установка состоит из основного блока с регулируемым источником питания, цифрового вольтметра, цифрового микроамперметра, фотодиода, источника света, приспособления для изменения интенсивности источника света, черного ящика для размещения фотодиода и источника.

Виды фотодиодов. Основные характеристики и параметры фотодиодов. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Принцип работы фотодиодов

Схема фотодиода

Режимы работы

Режим фотогенератора

Режим фотопреобразования

Основные параметры

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Лавинные

С барьером Шоттки

С гетероструктурой

Области применения фотодиодов

Фотодиоды

Читайте также

Фотодиоды | Техника и Программы

Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

Описание

Параметры и характеристики фотодиодов

Классификация

Вольт-амперная характеристика — фотодиод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Вольт-амперная характеристика — фотодиод

Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики

Устройство и принцип действия

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

Похожие темы:

Советские фотодиоды технические характеристики и схемы включения. Схема включения фотодиода. p – i – n фотодиод

Принцип действия фотодиода

Характеристики фотодиодов

Принцип работы фотодиодов

Схема фотодиода

Режимы работы

Основные параметры

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

Фотодиодная схема включения.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Фотодиод основные характеристики. Основные характеристики и параметры фотодиодов

Принцип действия фотодиода

Характеристики фотодиодов

Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

Вольт-амперная

Световая

Спектральная

Факторы, влияющие на эту характеристику:

Наиболее влияющими оказались такие факторы:

Принцип работы фотодиодов

Схема фотодиода

Режимы работы

Основные параметры

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

Области применения фотодиодов

Другие материалы по теме

Характеристики фотоприемников

Действие фотодиода приводит к преобразованию. Основные характеристики и параметры фотодиодов

Что такое фотодиод? Рабочие, ВАХ, применение

Что такое фотодиод?

Работа фотодиода

Режимы работы фотодиода

Фотоэлектрический режим

Режим фотопроводимости

Режим лавинного диода

Подключение фотодиода к внешней цепи

Характеристики V-I фотодиода

Применение фотодиода

Конструкция, типы, работа и применение

Что такое фотодиод?

Типы фотодиодов

PN Фотодиод

PIN Фотодиод

Лавинный фотодиод

Фотодиод Шоттки

Конструкция

Работа фотодиода