Световая характеристика фотодиода: Основные характеристики и параметры фотодиодов

Содержание

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

КПД, %

1

0,0464

0,24

1,1

3

0,1449

0,41

2

5

0,248

0,26

1,3

7

0,242

0,45

1,6

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.

обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитных параметров (например, тока утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструктивного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего света.

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

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

АЛ107Б

9

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ107Г

12

0,94…0,96

0,03

2

60

АЛ145Д

20

0,93…0,98

0,06

1,6

40

АЛ156В

12

0,82…0,9

0,04

1,8

35

АЛ161А

8

0,83…0,9

0,07

1,5

10

АЛ165Б

15

0,85…0,89

0,04

2

35

АЛ165В

400

0,85…0,9

нет данных

1,6

нет данных

АЛ170В

100

0,85…0,89

0,1

1,5

4

Время нарастания импульса излучения tHap изл — 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.

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.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Другие материалы по теме


Анатолий Мельник

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


Фотодиод - chipenable.ru

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

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

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

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

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

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

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

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


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


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


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


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

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

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

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

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

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

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

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

Продолжение следует.

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

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.

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 «Еф». 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 Rн определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору Rн. 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.

pin 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.
Похожие темы:

Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

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

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

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; 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.
    S i , Φ v = I Φ Φ v {\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}} ; S i , E v = I Φ E v {\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}}  — токовая чувствительность по световому потоку
    S u , Φ e = U Φ Φ e {\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}} ; S i , E e = U Φ E e {\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}}  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)
    зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ = f ( I Φ ) {\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
  • постоянная времени
    это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Классификация

  • В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение 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:
    M = I Φ I Φ 0 {\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}
    M = 1 1 − ( U U p r ) m {\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    q λ = 3 I g 2 {\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    W >> λ {\displaystyle W>>\lambda }
    Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
  • Фотодиод с гетероструктурой
    Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания


Фотодиод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

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

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

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; 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.
    S i , Φ v = I Φ Φ v {\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}} ; S i , E v = I Φ E v {\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}}  — токовая чувствительность по световому потоку
    S u , Φ e = U Φ Φ e {\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}} ; S i , E e = U Φ E e {\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}}  — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)
    зависимость выходного напряжения от входного тока. U Φ = f ( I Φ ) {\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
  • постоянная времени
    это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Классификация

  • В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
Достоинства:
1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.
2) высокая чувствительность и быстродействие
3) малое рабочее напряжение 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:
    M = I Φ I Φ 0 {\displaystyle M={\frac {I_{\Phi }}{I_{\Phi _{0}}}}}
    M = 1 1 − ( U U p r ) m {\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {U}{U_{pr}}}\right)^{m}}}}
    Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:
    1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:
    q λ = 3 I g 2 {\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}
    2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:
    W >> λ {\displaystyle W>>\lambda }
    Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.
  • Фотодиод с гетероструктурой
    Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания


Характеристика фотодиода - Энциклопедия по машиностроению XXL

Фотодиоды — полупроводниковые диоды, для которых сила обратного тока зависит от светового потока Фс, падающего на Р —Л -переход. Вольт-амперная характеристика фотодиода приведена на рис. 3.19.  [c.470]

Коды в двоичной системе счисления имеют существенный недостаток, связанный с неопределенностью считывания кода на границе темного и светлого участков по всем разрядам. Неопределенность считывания возникает из-за конечной ширины световой щели 5, разброса характеристик фотодиодов 6, нестабильности светового потока и т.д. Неопределенность считывания может привести к ошибке на величину старшего разряда. Для устранения этого недостатка применяют ограничение зон считывания с помощью механических или электромеханических устройств. Другим существенным недостатком таких преобразователей является низкая разрешающая способность и увеличение времени измерения из-за необходимости полного успокоения колебаний весов и фиксации кодового диска.  [c.73]


Рис. 12.10. Типичная характеристика фотодиода Рис. 12.10. Типичная характеристика фотодиода
Поэтому при выборе приемника излучения для работы в системе необходимо учитывать не только основные характеристики фотодиодов, но и их стабильность в зависимости от изменения параметров среды.  [c.115]

Эквивалентная мощность шума для ргп-диодов определяется, главным образом, шумовыми характеристиками последующего усилительного тракта. Эквивалентная мощность шума для лавинного фотодиода также в значительной степени зависит от уровня шума внешнего усилителя, но благодаря внутреннему усилению она оказывается в 10...20 раз меньше, чем для рт-диода.  [c.182]

Сравнительные характеристики различных типов фотодиодов  [c.183]

Фотодиоды характеризуются широкой спектральной чувствительностью (от ультрафиолетовой области до 1,8 мкм у германиевых фотодиодов) и высоким квантовым выходом (т)п,ах 0,9), их постоянная времени т 1 мкс. Характеристики современных фотодиодов позволяют предпочесть их другим приемникам излучения для решения многих практических задач.  [c.465]

В случае когда источники создают излучение в узком спектре с практически нулевой шириной, с помощью интерферометра мы наблюдаем спектральный профиль, который называется аппаратной функцией IV к Вид функции IV зависит от характеристик спектрометра и входного светового пучка. В идеальном случае функция IV совпадает с функцией Эйри. На практике из-за того, что нельзя достичь идеальной плоскостности, зеркала интерферометра будут иметь некоторые нерегулярности, которые вызовут уширение полос и уменьшение их максимумов. Дополнительное ограничение состоит в том, что падающее на приемную площадку фотодиода излучение составлено из тех плоских  [c.567]

К достоинствам фотодиодов следует отнести линейность их характеристик в широком диапазоне освещенностей. Для кремниевых фотодиодов в диапазоне изменения фототока 10 нА. .. 10 мА люкс-амперные характеристики линейны при изменении освещенности на 8 порядков.  [c.108]

Важнейшими характеристиками при этом являются коэффициент преобразования, динамический диапазон, инерционность, геометрические размеры. При использовании одиночных детекторов первого поколения можно было использовать сцинтилляционные кристаллы с ФЭУ, которые обладают высокой чувствительностью, удовлетворительным динамическим диапазоном (10 ) и малой инерционностью. Применение ФЭУ из-за их значительных габаритов затруднительно при использовании линейки, состоящей из большого числа детекторов. Для этих случаев применяют ионизационные газовые детекторы, полупроводниковые детекторы и сцинтилляционные кристаллы с полупроводниковыми фотодиодами.  [c.190]


Фотодиоды (ФД), особенно кремниевые, обладают линейностью световой характеристики в диапазоне б -8 порядков, не боятся засветок, имеют высокую чувствительность, хорошее быстродействие (до 10 Гц). Размеры приемной площадки - от 1 до 10 мм. Выпускаются ФД с различной спектральной чувствительностью (от 0,2 мкм до 1,3 мкм). Разработаны многоэлементные и позиционно-чувствительные ФД.  [c.490]

Несмотря на зафиксированное положение фотодиода относительно шкалы индикатора, положение точки отключения на кинетической характеристике может меняться посредством изменения коэффициента усиления прибора. В случае большого усиления точка отключения соответствует меньшему значению амплитуды колебаний опоры, в случае меньшего усиления — большему значению. При выключенной лампе подсвета прибор УВС-2 можно использовать в качестве индикатора кинетической характеристики для ручного управления.  [c.92]

Детектор выполняет противоположную функцию по сравнению с источником он преобразует оптическую энергию в электрическую и является оптоэлектронным преобразователем. Существуют разнообразные детекторы. Наиболее известный тип детектора — фотодиод, вырабатывающий ток при попадании на него света. В волоконной оптике достаточно интенсивно используются два вида фотодиодов рт-типа и лавинный. В данной главе будут описаны фотодиодные детекторы и их характеристики с точки зрения применения в волоконной оптике.  [c.115]

Участок координатной характеристики координатного фотодиода, на котором нелинейность не превышает заданного значения  [c.21]

В практике создания фотоэлектрических контрольных и измерительных устройств широко используются высокоомные германиевые и кремниевые фотоэлементы (фотодиоды и фототриоды). Недостатком фотодиодов является их невысокая чувствительность. Большую чувствительность имеют светочувствительные плоскостные полупроводниковые триоды (фототранзисторы). Основные характеристики фотодиодов и фототриодов представлены в табл. 38 и 39.  [c.348]

Весьма важной характеристикой фотодиодов является постоянство их параметров при изменении внешних условий и особенно температуры окружающей среды. На рис. 5.3 показана температурная зависимость темпового тока и фотртока для германиевых фотодиодов [25, 26, 32]. Из этой зависимости видно, что при увеличении температуры среды с +20 до -)-60° С темновой ток возрастает примерно в 10 раз, тогда как фототок увеличивается незначительно. В то же время у кремниевых фотодиодов величина темнового тока в указанном интервале температур почти не меняется.  [c.115]

Величина фото-э.д.с. существенно зависит от свойств используемого полупроводника и технологии изготовления. Для уменьшения флуктуаций темпового тока полезно охлаждение устройства. Широкое распространение получили германиевые и кремниевые фотодиоды. На рис. 8.28 приведены спектральные характеристики таких приемников света. Как видно, максимальная чувствительность германиевого фотодиода наблюдается в такой области длин волн (). iiK мкм), где использование фотоумножителей практически уже невозможно.  [c.443]

Характер спектральной характеристики ПЛЭ в общем случае определяется тем, относится ли ПЛЭ к тепювым (термоэлементы, болометры, пневматические, оптико-акустические, пироэлектрические ПЛЭ) или к фотоэлектрическим (фоторезисторы, фотодиоды, фототриоды, фотоэлементы, ЭОП, ФЭУ, телевизионные тр ки). Тепловые ПЛЭ неселективны спектральная чувствительность идеального теплового ПЛЭ постоянна во всем оптическом диапазоне (X) = onst. Однако у реальных ПЛЭ спектральный диапазон чувствительности ограничен, например, спектральной полосой пропускания оптических фильтров, используемых как элемент конструкции ПЛЭ. Поэтому спектральную характеристику даже идеализированного теплового приемника сл дует записывать  [c.66]

Аналогичная СТЗ для распознавания и определения геометрических характеристик неупорядоченных деталей на конвейере создана фирмой СРИ (SRI, США). В качестве видеодатчиков здесь используется линейка из 128 фотодиодов, установленная над конвейером, по которому перемещаются неориентированные детали разных типов (шатун, поршень, головка цилиндра, тормозная колодка, диск и др.). Сканирование деталей осуществляется за счет движения конвейера. С помощью анализаторов связности выделяются силуэты отдельных деталей, по которым затем вычисляются семь признаков формы (периметр, площадь, минимальный и максимальный радиусы и т. п.).  [c.267]

ПП без модуляции потока излучения выпускаются двух типов полного излучения термоэлектрические (ППТ) и частичного излучения фотодиодные (ПЧД) (рис. 9,19). В преобразователях ППТ в качестве приемника излучения используется хромель-коиелевая тер-1Мобатарея из фольги. Для уменьшения погрешности, вызванной воздействием окружающей температуры, предусмотрена температурная компенсация. В преобразователях ПЧД в качестве приемника излучения используются германиевый (д-тя номинальной статической характеристики ДГ) и кремниевый (для номинальной статической характеристики ДК) фотодиоды. В преобразователях ПЧД-121 и ПЧД-131 фотодиоды ми кротермоста тированы.  [c.346]

Влияние группового разбегания импульсов на ВКР сверхкоротких импульсов исследовалось в эксперименте [96], где мощность импульсов накачки длительностью 35 пс на длине волны 532 нм варьирова-la b в пределах 140-210 Вт, а длина световода-в пределах 20-100 м. Временные характеристики измерялись при помощи скоростного dTe-фотодиода и осциллографа. Результаты показывают, что генерация импульса ВКР происходит на первых трех-четырех длинах группового разбегания. Если эффективность преобразования в ВКР  [c.244]

Фотодиоды для ближней инфракрасной области спектра. Данные, представленные на рис. 4.18, говорят о том, что использовать ФЭУ в области длин волн, больших 0,9 мкм, нецелесообразно из-за резкого уменьшения квантовой эффективности фотокатода. В диапазоне 0,9...3 мкм наибольшее применение находят твердотельные фотодиоды кремниевые р/ -диоды, МОП-диоды, лавинные фотодиоды, а также фотодиоды на основе тройных соединений. На рис. 4.19 представлена спектральная зависимость квантовой чувствительности указанных типов фотодиодов [80]. Принцип действия фотодиодов основан на генерации свободных носителей заряда в обратносмещенно i рп-переходе [19]. Основные характеристики существующих фотодиодов представлены в табл. 4.8 [80]. Их сравнение показывает, что одновременно наибольшей чувствительностью и быстродействием в спектральной области 0,6...1,2 мкм обладают лавинные фотодетекторы, представляющие собой твердотельный аналог ФЭУ. Высокая чувствительность лавинных фотодиодов объясняется наличие м внутреннего усиления вследствие лавинообразного размножения свободных носителей в обедненной зоне рп-перехода под действием электрического поля высокой напряженности. По сравнению с ФЭУ прикладываемое к лавинному фотодиоду напряжение обратного смещения не велико (порядка 100 В), однако малые размеры обедненной зоны создают высокие напряженности электрического поля, обеспечивающие внутреннее усиление порядка 10 и более.  [c.182]

Верхняя частотная граница полосы пропускания фотодиодов ограничивается постоянной времени эквивалентной / С-цепи приемника и подводящих проводов. В табл. 3.2 перечислены полупроводники, применяющиеся при наблюдении фотобиений различных лазерных длин волн [47]. Наиболее подходящие структуры диодов — это р — п или р — i — п. Критическим размером, определяющим характеристику диода, является величина Wp, равная примерно толщине перехода.  [c.79]

Фотодиодами называются преобразователи, в которых под воздействием лучистой энергии возникают электронно-дырочные пары, разделяемые р— -переходом и образующие фототок. Основными материалами для фотодиодов служат германий и кремний. Интегральная чувствительность фотодиодов может достигать 25—30 мА/лм. Кремниевые фотодиоды отличаются высокой стабильностью характеристик при изменении условий эксплуатации, малыми темновыми токами (следовательно, высоким порогом чувствительности), возможностью работы при больших обратных напряжениях. Германиевые фотодиоды обладают большей интегральной чувствительностью и более широкой, чем у кремниевых, спектральной характеристикой поглощения. Фотодиоды являются значительно более быстродействующими, чем фоторезисторы, и широко используются для приема модулированного по интенсивности излучения.  [c.205]

В последние годы наряду с кремниевыми фотодиодами применяются арсенидо-фосфидо-галлиевые фотодиоды. По основным характеристикам они близки к кремниевым, но выгодно отличаются своей спектральной чувствительностью она зависит от соотношения частей арсенида и фосфида и ограничена видимой областью спектра, что позволяет обойтись без светофильтра перед фотодиодом.  [c.75]

Цифровая радиоскопия с использованием дискретных детекторов. Детекторы. Современные линейные матрицы радиационных преобразователей используют такие детекторы, как газовые ионизационные камеры, подключенные к малошумящим усилителям, сцин-тилляционные кристаллы, сочлененные с ФЭУ или фотодиодом. Важными характеристиками таких детекторов являются низкий уровень собственного шума и крутой фронт выходного сигнала (без большого послесвечения при использовании твердотельных кристаллов). Сцин-тилляционные кристаллы должны иметь достаточно большой световой выход, согласованный по спектру с входом светового детектора. С учетом ограничений по габаритам и стоимости кремниевые фотодиоды являются наиболее часто используемыми в качестве световых детекторов. Сцинтилляционные кристаллы, сочлененные с такими световыми детекторами, должны иметь световы-ход со спектром, смещенным в красную сторону.  [c.98]

Для формирования многоэлементной одномерной системы детектирования используются в основном три типа детекторов комбинированная структура сцинтиллятор-фотодиод, где в качестве детектирующего элемента применяются 2п8е(Те) и С81(Т1), диффузионнодрейфовые ППД на основе 81(Ы) и ППД на основе бинарного соединения СёТе. Основные характеристики материалов детекторов приведены в табл. 5, а в табл. 6 представлены параметры современных детекторов, применяемых для создания сканирующих систем радиационной интроскопии.  [c.636]

Возможны конструкции Ф. и с освещенным коллектором иди эмиттером [3]. Интегральная чувствительность Ф. достигает неск. а/лм, а иногда и неск. десятков а/лм. Спектральные характеристики и инер-ционпость Ф. онределяются теми же факторами, что и фотодиодов. Одиако в схеме включения с общим эмиттером постоянная времени Ф. в р раз больше, чем для фотодиода, образованного коллекторным р — п-переходом (Р — коэфф. усиления по току полупроводникового триода в схеме с общим эмиттером).  [c.356]

Для повышения надежности и снижения требований к условиям эксплуатации и монтажа источники и приемники для ВОЛС выполняют в виде квантовоэлектронных модулей — КЭМ, предназначенных для приема и передачи информации по ВОЛС С0—схмдартными скоростями 2,048 8,448 34,448 139,264 Мбит/с [23]. Передающие КЭМ содержат ИЛ и согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод излучения в волокно (рис. 6.16, а). Каждый КЭМ комплектуют кабельной частью соединителя, рассчитанной на применение ВОК с диаметром световодной жилы около 60 мкм. Для уменьшения зависимости характеристик ИЛ от температуры и времени наработки используют систему стабилизации выходной мощности, поддерживающую постоянную выходную мощность излучения путем соответствующего изменения тока накачки. В качестве датчика обратной связи используют 81-фотодиод.  [c.120]

Фотодиодные структуры являются входными элементами приемников с усилением лавинных фотодиодов (ЛФД), фототранзисторов биполярных, канальных МДП, фототеристоров и пр. Разнообразие материалов, топологий приемников, принципов формирования диодных характеристик р-п, p-i-n-, МДП-, МПМ-структур позволяет решать различные функциональные задачи на уровне фотоэлектрического преобразования.  [c.128]

Две характеристики рп-фотодиодов ограничивают их применение в боль-пшнстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и больщая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внепшем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют по дороге к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мопщый световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Эго позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.  [c.117]

Фотодиоды представляют собой монолитные структуры, содержащие две области с различными типами проводимости [п- и р-типа), образующие область объемного заряда (называемую р-п переходом). Под действием падающего на одну из областей фотодиода оптического излучения его вольт-а.мперная характеристика из.меняется.  [c.9]

Линейная зона координатной характеристики координатного фотодиода 2Лх, мм Статическая крутизна координатной характеристики координатного фотодиода 5стат, В/(ММ-Вт) Коэффициент умножения темнового тока лавинно -о фотодиода Мт, отн. ед.  [c.21]

Габаритные разые ,ы и относительные спектральные характеристики чувств ге. ьност>1 кремниевых фотодиодов и фототранзисторов  [c.61]

Габаритные размеры и относительные спектральные характеристики чувствительиссти германиевых фотодиодов и фототранзисторов  [c.69]

Габаритные размеры и относительные спектральные характеристики чувствительности фоторезиеторов и фотодиодов иа основе антимонида индия  [c.122]


Что такое фотодиод? Определение, принцип, конструкция, работа, характеристики, преимущества, недостатки и применение фотодиода

Определение : Специальный тип PN-переходного устройства, которое генерирует ток при воздействии света, известен как Фотодиод. Он также известен как фотоприемник или фотодатчик. Он работает в режиме обратного смещения, и преобразует световую энергию в электрическую энергию .

На рисунке ниже показано символическое представление фотодиода:

symbol of photodiode

Принцип фотодиода

Работает по принципу Фотоэлектрический эффект .

Принцип работы фотодиода таков, что, когда соединение этого двухполюсного полупроводникового устройства освещается, электрический ток начинает течь через него. Только незначительный ток протекает через устройство, когда к нему прикладывается определенный обратный потенциал.

Конструкция Фотодиода

На рисунке ниже показаны конструктивные детали фотодиода:

contructional detail of photodiode

PN-переход устройства, помещенный внутри стеклянного материала.Это сделано для того, чтобы энергия света проходила через него. Поскольку только соединение подвергается облучению, таким образом, другая часть стеклянного материала окрашивается в черный цвет или металлизируется.

Общая единица измерения очень мала, около , 2,5 мм, .

Следует отметить, что ток, протекающий через устройство, составляет микроампер и измеряется с помощью амперметра.

Режимы работы фотодиода

Фотодиод

в основном работает в двух режимах:

  • Фотоэлектрический режим : Он также известен как режим с нулевым смещением, поскольку внешний обратный потенциал устройства не предоставляется.Тем не менее, поток неосновного носителя будет иметь место, когда устройство подвергается воздействию света.
  • Фотопроводящий режим : Когда к устройству приложен определенный обратный потенциал, он ведет себя как фотопроводящий прибор. Здесь увеличение ширины обеднения наблюдается при соответствующем изменении обратного напряжения.

Давайте теперь разберемся в деталях схемы и работы фотодиода.

Работа фотодиода

В фотодиоде очень маленький обратный ток протекает через устройство, которое называется темнового тока .Это называется так, потому что этот ток полностью является результатом потока неосновных носителей и, следовательно, течет, когда устройство не подвергается воздействию излучения.

strucure of photodiode

Электроны, присутствующие на стороне p, и дыры на стороне n, являются миноритарными носителями. Когда определенное обратное смещение напряжения приложено, то меньший носитель, отверстия с n-стороны испытывают силу отталкивания от положительного потенциала батареи.

Аналогичным образом, электроны, присутствующие в p-стороне, испытывают отталкивание от отрицательного потенциала батареи.Из-за этого движения электрон и дырка рекомбинируют на стыке, что приводит к образованию области обеднения на стыке.

Из-за этого движения очень маленький обратный ток протекает через устройство, известное как темновой ток.

Комбинация электронов и дырок в соединении генерирует нейтральный атом в истощении. Из-за чего любой дальнейший поток тока ограничен.

Теперь место соединения устройства освещено светом. Когда свет падает на поверхность соединения, температура соединения увеличивается.Это заставляет электрон и дырку отделяться друг от друга.

Когда они разделяются, электроны со стороны n притягиваются к положительному потенциалу батареи. Точно так же отверстия, присутствующие на стороне p, притягиваются к отрицательному потенциалу батареи.

Это движение генерирует высокий обратный ток через устройство.

С увеличением интенсивности света через устройство генерируется больше носителей заряда. Тем самым вырабатывается большой электрический ток через устройство.

Этот ток затем используется для управления другими цепями системы.

Итак, мы можем сказать, что интенсивность световой энергии прямо пропорциональна току через устройство.

Только положительный смещенный потенциал может привести устройство в не текущее состояние в случае фотодиода.

Характеристики фотодиода

На рисунке ниже показана характерная кривая VI фотодиода: characteristics of photodiode

Здесь вертикальная линия представляет обратный ток, протекающий через устройство, а горизонтальная линия представляет потенциал с обратным смещением.

Первая кривая представляет темновой ток, который генерируется из-за неосновных носителей в отсутствие света.

Как видно из рисунка выше, все кривые показывают практически одинаковое расстояние между ними. Это так, потому что ток пропорционально увеличивается со световым потоком.

На рисунке ниже показана кривая зависимости тока от освещенности:

illumination vs current curve

Следует отметить, что обратный ток не показывает значительного увеличения с увеличением обратного потенциала.

Преимущества фотодиода

  • Показывает быстрый отклик при воздействии света.
  • Фотодиод
  • предлагает высокую скорость работы.
  • Обеспечивает линейный отклик.
  • Это недорогое устройство.

Недостатки фотодиода

  • Это устройство, зависящее от температуры. И показывает плохую температурную стабильность.
  • При низкой освещенности необходимо усиление.

Применение фотодиода

  1. Фотодиоды в основном находят свое применение в счетчиках и коммутационных цепях.
  2. Фотодиоды широко используются в оптических системах связи.
  3. Логические схемы и энкодеры также используют фотодиод.
  4. Широко используется в системах охранной сигнализации. В таких системах сигнализации до тех пор, пока облучение не прервано, ток течет. Поскольку световая энергия не падает на устройство, звучит сигнал тревоги.

В случае типичного фотодиода нормальный обратный ток находится в диапазоне десятков микроампер.

,

Фотодиод - символ, рабочий и типы

Введение

А фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство с p-n переходом или контактом, которое потребляет световую энергию для генерации электрического тока. Это также иногда упоминается как фотодетектор, фотодатчик или свет детектор.

Фотодиоды являются специально предназначен для работы в режиме обратного смещения.Обратное смещение означает, что р-сторона фотодиода подключена к отрицательный вывод аккумулятора и н-сторона подключена к положительный вывод батареи.

Фотодиод очень чувствителен к свету, поэтому, когда свет или фотоны падают на На фотодиоде он легко преобразует свет в электрический ток. Фотоэлемент также известен как фотодиод большой площади, потому что он преобразует солнечную энергию или энергию света в электрическую энергию.Однако солнечный элемент работает только при ярком свете.

строительство и работа фотодиода практически аналогична нормальной п-н соединительный диод. PIN (p-тип, внутренний и n-тип) структура в основном используется для построения фотодиода вместо p-n (p-типа и n-типа) структуры соединения, потому что Структура PIN обеспечивает быстрое время отклика. ПИН фотодиоды есть в основном используется в высокоскоростных приложениях.

В нормальный p-n переходной диод, напряжение используется в качестве энергии источник для генерации электрического тока, тогда как в фотодиоды, как напряжение, так и свет используются в качестве источника энергии генерировать электрический ток.

Фотодиод символ

символ фотодиода похож на обычный p-n переход диод за исключением того, что он содержит стрелки, поражающие диод. стрелки на диоде обозначают свет или фотоны.

А Фотодиод имеет два вывода: катод и анод.

Цели и ограничения фотодиода

  1. Фотодиод всегда должны работать в режиме обратного смещения.
  2. применяется Напряжение обратного смещения должно быть низким.
  3. Генерировать низкий уровень шума
  4. Высокое усиление
  5. Высокий скорость отклика
  6. Высокий чувствительность к свету
  7. Низкий чувствительность к температуре
  8. Низкая стоимость
  9. Малый размер
  10. Длинная
  11. срок службы

Как фотодиод работает?

А нормальный p-n переходной диод позволяет небольшое количество электрического ток при условии обратного смещения.Увеличить электрический ток при условии обратного смещения, нам нужно генерировать больше миноритарные перевозчики.

внешнее обратное напряжение, приложенное к диоду p-n-перехода будет поставлять энергию несущим, но не увеличивать население меньшинств перевозчиков.

Однако, из-за напряжение внешнего обратного смещения.Произведенные миноритарные перевозчики на n-стороне или p-стороне будет рекомбинировать в том же материале, прежде чем они пересекают перекресток. В результате нет электрического тока течет из-за этих носителей заряда. Например, меньшинство носители, генерируемые в материале р-типа, испытывают отталкивают силы от внешнего напряжения и пытаются двигаться к н-стороне. Однако, прежде чем пересечь перекресток, свободные электроны рекомбинируют с отверстиями в том же материал.В результате электрический ток не протекает.

К Чтобы преодолеть эту проблему, нам нужно приложить внешнюю энергию непосредственно к истощению регион, чтобы генерировать больше носителей заряда.

А Специальный тип диода под названием фотодиод предназначен для генерировать большее количество носителей заряда в области истощения.В фотодиодах мы используем свет или фотоны в качестве внешней энергии генерировать носители заряда в области истощения.

Типы фотодиодов

Рабочая работа всех типов фотодиодов одинакова. Различные типы фотодиодов разработаны на основе конкретных применение. Например, PIN-фотодиоды разработаны для увеличить скорость отклика.ПИН-фотодиоды используются там, где необходима высокая скорость отклика.

разные Типы фотодиодов

  • PN Junction фотодиод
  • PIN фотодиод
  • Лавина фотодиод

среди все три фотодиода, PN-переход и PIN-фотодиоды наиболее широко используется.

PN переходный фотодиод

PN переходные фотодиоды являются первой формой фотодиодов. Oни являются наиболее широко используемыми фотодиодами до разработка ПИН фотодиодов. PN-переходный фотодиод также просто называется фотодиодом. В настоящее время фотодиоды с PN-переходом широко не используются.

Когда внешний световая энергия подается на фотодиод p-n-перехода, валентность электроны в области обеднения приобретают энергию.

Если энергия света, приложенная к фотодиоду, больше ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, усиление валентных электронов хватит энергии и разорвать связь с родительским атомом. Валентность электрон, который разрывает связь с родительским атомом, станет свободный электрон. Свободные электроны свободно перемещаются из одного места в другое место, проводя электрический ток.

Когда валентный электрон покидает валентную оболочку пустое пространство создан в валентной оболочке, на которой валентный электрон ушел. Это пустое пространство в валентной оболочке называется дыркой. Таким образом, как свободные электроны, так и дырки образуются парами. механизм генерации электронно-дырочной пары с помощью света энергия известна как внутренний фотоэлектрический эффект.

миноритарные перевозчики в регионе истощения испытывают силу из-за в области истощения электрического поле и внешнее электрическое поле. Например, бесплатно электроны в области обеднения испытывают отталкивание и сила притяжения отрицательных и положительных ионов присутствует на краю области истощения на р-стороне и н-стороне.Как В результате свободные электроны движутся в направлении n-области. Когда свободные электроны достигают n области, они притягиваются к положительные клеммы аккумулятора. Аналогичным образом, отверстия движутся в противоположном направлении.

сильное обеднение области электрического поля и внешнего электрическое поле увеличивает скорость дрейфа свободного электроны.Из-за этой высокой скорости дрейфа меньшинство носители (свободные электроны и дырки), генерируемые при истощении область пересечет p-n-соединение, прежде чем они рекомбинируют с атомы. В результате ток неосновной несущей увеличивается.

Когда свет не подается на фотодиод обратного смещения, он несет небольшой обратный ток из-за внешнего напряжения.Этот маленький электрический ток при отсутствии света называется темным ток. Обозначается I λ .

В фотодиод, обратный ток не зависит от обратного смещения напряжение. Обратный ток в основном зависит от света интенсивность.

В фотодиоды, большая часть электрического тока переносится носителями заряда генерируется в области обеднения, потому что носители заряда в области истощения имеет высокую скорость дрейфа и низкую скорость рекомбинации, тогда как носители заряда в n-стороне или Р-сторона имеет низкую скорость дрейфа и высокую скорость рекомбинации. электрический ток, генерируемый в фотодиоде из-за Приложение света называется фототоком.

Общий ток через фотодиод представляет собой сумму темных ток и фототок. Темновой ток должен быть уменьшен повысить чувствительность устройства.

электрический ток, протекающий через фотодиод напрямую пропорционально количеству падающих фотонов.

PIN фотодиод

PIN фотодиоды разработаны из PN-перехода фотодиодов. Работа PIN-фотодиода аналогична PN-переходу фотодиод за исключением того, что ПИН фотодиод изготовлен иначе улучшить его производительность.

PIN-фотодиод разработан для увеличения доли меньшинства текущая и скорость отклика.

PIN фотодиоды генерируют больше электрического тока, чем PN фотодиодов с одинаковым количеством световой энергии.

слоев ПИН-фотодиод

А PN-переходный фотодиод состоит из двух слоев, а именно р-типа и полупроводник n-типа, тогда как PIN-фотодиод состоит из трех слои, а именно р-тип, n-тип и собственный полупроводник.

В PIN-фотодиод, дополнительный слой, называемый внутренним полупроводник расположен между р-типом и n-типом полупроводник, чтобы увеличить меньший ток несущей.

P-тип полупроводник

Если трехвалентные примеси добавляются к собственному полупроводнику, р-тип полупроводник сформирован.

В полупроводники p-типа, число свободных электронов в зона проводимости меньше, чем число отверстий в валентная группа. Поэтому дырки являются основными носителями заряда и свободны электроны являются миноритарными носителями заряда. В р-типе В полупроводниках дырки переносят большую часть электрического тока.

N-тип полупроводник

Если пятивалентная примеси добавляются к собственному полупроводнику n-типа полупроводник сформирован.

В полупроводники n-типа, число свободных электронов в зона проводимости больше, чем количество отверстий в валентная группа. Следовательно, свободные электроны являются основными носителями заряда и дыры являются миноритарными носителями заряда. В n-типе полупроводники, свободные электроны несут большую часть электрического ток.

Внутренний полупроводник

Внутренний полупроводники являются чистой формой полупроводников.В собственный полупроводник, число свободных электронов в зона проводимости равна числу отверстий в валентности группа. Следовательно, собственный полупроводник не имеет заряда носители для проведения электрического тока.

Однако, при комнатной температуре небольшое количество носителей заряда генерироваться. Это небольшое количество носителей заряда будет нести электрический ток.

PIN работа фотодиода

А PIN-фотодиод состоит из p области и n области, разделенных высокорезистивный внутренний слой. Внутренний слой помещен между областью p и областью n, чтобы увеличить ширину области истощения.

Полупроводники p-типа и n-типа сильно легированы.Следовательно, р-область и п-область ПИН-фотодиода имеет большой количество носителей заряда для переноса электрического тока. Тем не мение, эти носители заряда не будут нести электрический ток при условие обратного смещения.

вкл с другой стороны, собственный полупроводник является нелегированным полупроводниковый материал.Следовательно, внутренняя область не имеют носителей заряда для проведения электрического тока.

Under обеспечить регресс условие смещения, большинство носителей заряда в п области и р регион отходит от перекрестка. В результате ширина область истощения становится очень широкой. Поэтому большинство носители не будут переносить электрический ток при обратном смещении состояние.

Однако, несущие меньшинства будут нести электрический ток, потому что они испытать силу отталкивания от внешнего электрического поля.

В PIN-фотодиод, носители заряда генерируются при истощении область несет большую часть электрического тока. Носители заряда генерируется в области р или п области несут только небольшой электрический ток.

Когда энергия света или фотонов подается на ПИН-диод, большая часть энергии наблюдается внутренней или истощающей области из-за широкой ширины обеднения. В результате большой количество электронно-дырочных пар.

бесплатно электроны, генерируемые во внутренней области, движутся в направлении n-сторона, тогда как дырки, образованные во внутренней области, движутся к р-стороне.Свободные электроны и дырки двигались от одного область в другой регион нести электрический ток.

Когда свободные электроны и дырки достигают области n и области p, они привлечены к положительным и отрицательным терминалам батарея.

численность населения миноритарных носителей в ПИН-фотодиодах очень большой по сравнению к PN-переходу фотодиод.Поэтому ПИН фотодиоды несут большой несущий ток несущей, чем фотодиод PN перехода.

Когда напряжение прямого смещения подается на фотодиод PIN, оно ведет себя как резистор.

Мы знать, что емкость прямо пропорциональна размеру электроды и обратно пропорциональны расстоянию между электроды.В ПИН-фотодиоде действует область p и область n В качестве электродов и внутренней области действует как диэлектрик.

расстояние разделения между областью p и областью n в PIN фотодиод очень большой из-за широкой ширины обеднения. Следовательно, PIN-фотодиод имеет низкую емкость по сравнению с PN-переходный фотодиод.

В PIN-фотодиод, большая часть электрического тока переносится носители заряда, генерируемые в области обеднения.Заряд носители, генерируемые в области p или области n, несут лишь небольшую электрический ток. Поэтому увеличивается ширина истощения область увеличивает несущую электрический ток.

Преимущества из PIN-фотодиод

  1. шириной пропускная способность
  2. Высокий квант эффективность
  3. Высокий скорость отклика

Лавина фотодиод

операция лавинный фотодиод похож на PN переход и пин фотодиод за исключением того, что применяется высокое напряжение обратного смещения в случае лавинного фотодиода для достижения лавины умножение.

Применение высокая обратного смещения напряжения к лавинному фотодиоду не будет непосредственно увеличить поколение носителей заряда. Тем не мение, он обеспечивает энергию для пар электрон-дырка, генерируемых падающий свет.

Когда световая энергия подается на лавинный фотодиод, электронно-дырочные пары генерируются в обеднении. генерируемые пары электрон-дырка испытывают силу из-за область обеднения электрическое поле и внешнее электрическое поле.

В лавинный фотодиод, очень высокое напряжение обратного смещения большое количество энергии для миноритарных носителей (электронно-дырочных пар). Миноритарные перевозчики, которые получают большое количество энергия ускоряется до больших скоростей.

Когда свободные электроны двигаясь на большой скорости сталкивается с атомом, они сбивают больше свободных электронов. Вновь созданные свободные электроны снова ускоряются и сталкиваются с другими атомами. Из-за это непрерывное столкновение с атомами, большое количество миноритарные перевозчики создаются. Таким образом, лавинные фотодиоды генерирует больше носителей заряда, чем PN и PIN фотодиоды.

Лавина фотодиоды используются в приложениях, где большое усиление является важным фактор.

Преимущества из лавинный фотодиод

  1. Высокий чувствительность
  2. Большой прирост

Недостатки из лавинный фотодиод

генерирует высокая уровень шума по сравнению с фотодиодом PN

Фотодиод операция режимы

А Фотодиод может работать в одном из двух режимов: фотоэлектрический режим или фотопроводящий режим.

Операция Режим Выбор фотодиода зависит от скорости требования приложения и количество темнового тока это терпимо.

фотоэлектрических режим

В фотоэлектрический режим, фотодиод является беспристрастным. В других словами, внешнее напряжение не подается на фотодиод при фотоэлектрический режим.

В фотоэлектрические режим, темновой ток очень низкий. Фотодиоды эксплуатируются в Фотоэлектрические режимы имеют низкую скорость отклика.

фотодиоды работают в фотоэлектрическом режиме, как правило, используются на низкой скорости приложения или для обнаружения слабого освещения.

Фотопроводящий режим

В фотопроводимость В режиме внешнего обратного смещения напряжение подается на фотодиод.

Применение обратное напряжение смещения увеличивает ширину области истощения и уменьшает емкость соединения, что приводит к увеличена скорость отклика. Обратное смещение также увеличивает темное течение.

Фотодиоды работающий в фотопроводящем режиме имеет высокий шумовой ток. это происходит из-за обратного тока насыщения, протекающего через фотодиод.

Темный ток

Темный ток - ток утечки, который течет в фотодиоде в отсутствие света. Темное течение в фотодиоде увеличивается, когда температура увеличивается. Материал, используемый для Построить фотодиод также влияет на темновой ток.

разные Материалы, используемые для создания фотодиодов: кремний (Si), Германий, (Ge), фосфид галлия (GaP), индий галлий Арсенид (InGaAs), антимонид арсенида индия (InAsSb), Расширенный арсенид индия-галлия (InGaAs), ртуть Теллурид кадмия (MCT, HgCdTe).

Германий, Антимонид арсенида индия, арсенид индия-галлия и Теллурид ртути и кадмия генерирует большой темновой ток, потому что они очень чувствительны к температуре.

скорость реакции кремния, фосфата галлия, галлия индия Арсенид и расширенный диапазон арсенида индия-галлия очень высокая.

Производительность параметры фотодиода

Отзывчивость

Отзывчивость является отношение генерируемого фототока к падающему свету мощность.

Квантовая эффективность

Квант эффективность определяется как отношение числа электронно-дырочных пар (фотоэлектроны), генерируемые падающим фотонам.

Время отклика или время в пути

Время отклика фотодиода определяется как время, которое требуется для светоносных носителей заряда пересечь p-n-переход.

Фотодиод приложения

различные применения фотодиодов

  1. компакт-диск игроки
  2. Дым детекторы
  3. Космос приложения
  4. Фотодиоды используются в медицинских приложениях, таких как компьютерные томография, инструменты для анализа образцов и пульс оксиметры.
  5. Фотодиоды используются для оптической связи.
  6. Фотодиоды используются для измерения крайне низкой интенсивности света.

Типы диодов

Различные типы диодов:

  1. стабилитрон диод
  2. Лавинный диод
  3. Фотодиод
  4. Свет Испускающий диод
  5. Лазер диод
  6. тоннель диод
  7. Шоттки диод
  8. Варактор диод
  9. P-N соединительный диод

,
Что такое фотодиод? - Конструкция, работа и применение

Определение: Фотодиод представляет собой двухполюсное электронное устройство, которое при воздействии света начинает течь в диоде. Он работает только в режиме обратного смещения. Он преобразует световой энергии в электрической энергии. Когда обычный диод смещен в обратном направлении, обратный ток начинает увеличиваться с обратным напряжением, то же самое можно подавать на фотодиод.

Но в случае фотодиода ток может протекать без приложения обратного напряжения, P-N-переход фотодиода освещается валентными электронами, рассеивающими свет и энергию света, и диод начинает проводить ток.

Конструкция Фотодиода

Фотодиод состоит из двух слоев полупроводника P-типа и N-типа. При этом материал P-типа формируется путем диффузии слабо легированной подложки P-типа. Таким образом, слой ионов P + формируется за счет диффузионного процесса. А эпитаксиальный слой N-типа выращивают на подложке N-типа. Диффузионный слой P + разработан на сильно легированном эпитаксиальном слое N-типа. Контакты сделаны из металлов, чтобы сформировать два терминальных катода и анод.

Photodiode_Symbol

Передняя часть диода разделена на два типа: активная поверхность и неактивная поверхность.Неактивная поверхность состоит из SiO 2 (диоксид кремния) , а активная поверхность покрыта антиотражающим материалом . Активная поверхность называется так, потому что на нее падают лучи света.

Лучи света не падают на неактивную поверхность. Активный слой покрыт антиотражающим материалом, чтобы энергия света не терялась, а максимум ее можно было преобразовать в ток. Весь блок имеет размеры порядка 2.5 мм.

Принцип работы фотодиода

Когда обычный диод смещен в обратном направлении, область истощения начинает расширяться, и ток начинает течь из-за неосновных носителей заряда. С увеличением обратного напряжения обратный ток также начинает увеличиваться. Такое же условие может быть получено в фотодиоде без приложения обратного напряжения.

Cross Sectional View of Photodiode

Соединение Фотодиода освещается источником света, фотоны попадают на поверхность соединения.Фотоны передают свою энергию в виде света соединению. Благодаря этому электроны из валентной зоны получают энергию, чтобы прыгать в зону проводимости и вносить вклад в ток. Таким образом, фотодиод преобразует энергию света в электрическую энергию.

Basic Biasing Arrangement

Ток, протекающий в фотодиоде до того, как на него падают световые лучи, называется темновым током . Когда ток утечки протекает в обычном диоде, аналогично темновой ток протекает в фотодиоде.

Режимы работы фотодиода

Работает в двух режимах: Фотопроводящий и Фотоэлектрический.

  1. Фотопроводимость: Когда фотодиод работает в режиме обратного смещения, он называется фотопроводящим режимом. При этом ток, протекающий в диоде, изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чтобы выключить диод, на него должно быть подано прямое напряжение.
  2. Photo-Voltaic: Когда диод работает без обратного смещения, говорят, что он работает в фотоэлектрическом режиме.Когда обратное смещение удаляется, носители заряда проходят через переход. Барьерный потенциал отрицателен на N-стороне и положителен на P-стороне.

Когда внешняя цепь подключена к фотодиоду после удаления обратного смещения, неосновные носители как в P, так и в N-области возвращаются в свою исходную область. Это означает, что электроны, которые пересекли переход от N-типа к P-типу, снова перемещаются в N-сторону с помощью внешней цепи.

И отверстия, которые пересекли соединение и переместились из P-типа в N-тип во время изготовления соединения, теперь снова переместятся в сторону P с помощью внешней цепи.

Таким образом, теперь электроны могут вытекать из N-типа, а дырки могут вытекать из P-типа, поэтому в этом состоянии они ведут себя как ячейка напряжения, имеющая N-тип в качестве отрицательного вывода и P-тип в качестве положительного вывода. Таким образом, фотодиод может быть использован в качестве фотопроводящего устройства или фотоэлектрического устройства.

V-I Характеристики фотодиода

Кривая характеристик фотодиода может быть понята с помощью приведенной ниже диаграммы. Характеристики показаны в отрицательной области, поскольку фотодиод может работать только в режиме с обратным смещением.

Characteristics of Photodiode

Обратный ток насыщения в фотодиоде обозначается I 0. Он линейно изменяется с интенсивностью фотонов, падающих на поверхность диода. Ток при большом обратном смещении является суммой тока обратного насыщения и тока короткого замыкания.

I = I sc + I 0 (1-е В / Вт )

Где Isc - ток короткого замыкания, V положительный для прямого напряжения и отрицательный для обратного смещения, Vt - вольт-эквивалентный для температуры, ɳ - единица для германия и 2 для кремния.

Преимущества фотодиодов

  1. Обратный ток низок в десятках микроампер.
  2. Время нарастания и спада в случае фотодиодов очень мало, что делает его пригодным для высокоскоростного счета и коммутации.

Недостатки фотодиодов

Фотодиоды

имеют более низкую светочувствительность, чем LDR сульфида кадмия (светозависимые резисторы), поэтому их CdS LDR считаются более подходящими для некоторых применений.

Применение фотодиодов

  1. Используется для обнаружения как видимых, так и невидимых световых лучей.
  2. Фотодиоды используются в системе связи для целей кодирования и демодуляции.
  3. Он также используется для цифровых и логических схем, которые требуют быстрого переключения и высокоскоростной работы.
  4. Эти диоды также находят применение в методах распознавания символов и в цепях инфракрасного дистанционного управления.

Фотодиоды считаются одним из значительных устройств оптоэлектроники, который широко используется в волоконно-оптической системе связи.

,
Советы по фотодиодам - ​​характеристика, символ, определение
Photodiode tutorial
Фотодиод - характеристика, символ, определение

photodiode

Фотодиод - тип полупроводникового диода , который служит в качестве фотоприемника. Его электрические свойства зависят от светового излучения, которое его освещает. Этот компонент легко узнать среди других полупроводниковых диодов благодаря его характерному корпусу с прозрачным окном. Конструкция внутреннего фотодиодного компонента основана на p-n-переходе или p-i-n-структуре (p-i-n- с собственным или нелегированным слоем между двумя легированными p-n кристаллами полупроводника).

photodiode symbol

Рис. 1. Фотодиод Symbol

Фотодиод - принцип действия

Энергия подается на фотодиодное соединение, когда она освещается фотонами (светом) - происходит инжекция неосновных носителей, в которых пары дырки и электрон генерируются. Это вызывает генерацию тока, который пропорционален световому потоку, который «подается» на фотодиод ( фотоэлектрический эффект ). Общий ток, который течет через соединение, является суммой двух компонентов: ток насыщения (темновой ток) и ток, зависящий от интенсивности освещения.Свободные электроны притягиваются положительно заряженными частицами на границе области n-типа, а дырки проникают в область p-типа.

Фотодиод - Режимы работы

  • Фотогальванический режим (режим без смещения) - Фотодиод действует как источник электрического тока. В то время как его соединение освещается фотонами, оно создает ЭДС (электродвижущую силу), что означает электрический ток. Это явление называется фотоэлектрическим явлением , которое является основой для солнечных элементов. Можно сказать, что типичный солнечный элемент представляет собой гораздо больший фотодиод ,
  • Фотопроводящий режим (r режим обратного смещения) - Очень часто обратное напряжение подается на фотодиод (обратное смещение) катода относительно анода), чтобы расширить обедненный слой, который уменьшает емкость на соединении . (Если вы не понимаете, о чем я говорю, проверьте эту статью о внутренней конструкции 9109 Semiconductor Diode .) При отсутствии подсветки компонентов протекают так называемые темновые токи, которые имеют низкие значения. Кроме того, обратное смещение также влияет на темновой ток. После подсветки количество неосновных носителей возрастает, что вызывает увеличение обратного тока.
photodiode characteristic

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики фотодиода

При наблюдении вольт-амперных характеристик фотодиода взгляните на формы сигналов в различных квадрантах системы координат.Характеристика третьего квартала показывает использование фотодиода в качестве фотоприемника (датчика освещенности). Это соответствует текущей насыщенности p-n-перехода. Однако в четвертой четверти характеристики фотодиод работает как преобразователь светового излучения - солнечная батарея. Если ток не протекает через освещенный диод, величина напряжения, которое возникает на клеммах, называется фотоэлектрическим напряжением. Солнечные батареи обычно используются в источниках питания электрооборудования, например, для санитарии и зарядки батарей, когда погодные условия или освещение благоприятны для этой цели.

Фотодиод - Области применения

Фотодиоды используются во многих промышленных областях и устройствах, которые включают в себя:

  • промышленная автоматизация,
  • оптических коммутационных устройств,
  • измерительные системы электрических величин,
  • измерительные системы неэлектрических количество,
  • фотометрия,
  • системы дистанционного управления,
  • быстродействующие аналого-цифровые (A / D) преобразователи.
  • Диоды
  • Метки: фотодиод, фотодиодный усилитель, фотодиод arduino, фотодиодная матрица, фотодиодная матрица детектор, фотодиод в качестве солнечной батареи, фотодиод основной, фотодиодная характеристика, схема фотодиода, фотодиодный темновой ток, определение фотодиода, фотодиодное устройство, работа фотодиодов , фотодиодный датчик, символ фотодиода, рабочий фотодиод, что такое фотодиод
.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о